Материал: Перспективные композиционные и керамические материалы

пленки. Первым примером таких устройств является сверхпроводящий экран, который может быть полезен для защиты радиоэлектронной аппаратуры от внешних помех.

Перспективно применение ВТСП-пленок в модуляторах и коммутаторах СВЧ и импульсных сигналов. Активным элементом таких устройств является узкая тонкопленочная полоса, вдоль которой распространяется сигнал.

2.Простейшие устройства на основе эффекта Джозефсона используют специфические свойства так называемых джозефсоновских переходов – слабых электрических контактов между двумя сверхпроводящими электродами.

К этим устройствам относятся прежде всего сквиды. Сквид представляет собой сверхчувствительной детектор магнитного поля, точнее, потока магнитного поля, проходящего через его датчик – сверхпроводящее кольцо, замкнутое одним или двумя джозефсоновскими переходами.

3.Цифровая техника с большим количеством, как правило, джозефсоновских переходов.

Под направлением сильноточная техника обычно подразумевается использование сверхпроводников для электроэнергетических устройств

исистем, вырабатывающих, передающих и преобразующих электрическую энергию в промышленных масштабах. Основой этого направления является способность сверхпроводников нести без омических потерь высокие плотности транспортного тока в сильных магнитных полях при температурах ниже критической, что позволяет разрабатывать образцы электроэнергетического оборудования различного назначения с более высоким КПД.

ВТСП смогут вытеснить низкотемпературные сверхпроводники с завоеванных ими позиций (индустриальная физика, МР-томография и др.) при условии повышения критической плотности тока в сильных магнитных полях, получения технически приемлемых форм материалов (провода, кабели, ленты), сравнимости их цен. Более того, ВТСП при этих условиях смогут ускорить освоение народным хозяйством таких электроэнергетических устройств на сверхпроводниках, как генераторы, двигатели, трансформаторы, магнитные сепараторы, скоростной транспорт на магнитной подушке (рис. 4.14).

96

Известен ряд структур ферритов. Наибольший интерес представляют следующие:

1)феррошпинели, имеющие кристаллическую структуру природного минерала шпинели MgO · Al2O3;

2)феррогранаты – ферриты со структурой минерала граната

Ca3Al2(SiO4)3;

3)гексаферриты – ферриты с гексагональной структурой, среди которых есть два типа:

–ферроксдюры со структурной формулой МеО·6Fe2O3, где М – один из двух металлов Ba, Pb, Sr, которые обладают одним направлением легкого намагничивания, совпадающим с гексагональной осью,

иявляются магнитотвердыми ферритами;

–феррокспланы со структурной формулой BaO-MeO-6Fe2O3, которые обладают плоскостью легкого намагничивания, перпенидкулярной гексагональной оси и являются магнитомягкими высокочастотными магнетиками;

4)ферриты с орторомбической структурой типа искаженной струк-

туры перовскита CaTiO3 – ортоферриты.

Структура типа шпинели характерна для многих широко применяющихся ферритов.

Химическая формула простых (т.е. содержащих не более двух разных катионов) феррошпинелей может быть представлена в виде:

Ме+2O2− ·Fe32+ O32− (k = 2; m = 1; n = 1), где наряду с ионами кислорода и

трехвалентного железа присутствуют ионы Ме+2 в виде Fe2+, Co2+, Ni2+, Mn2+, Zn2+, Cu2+, Cd2+ и Mg2+. К этой же группе относятся ферриты од-

новалентного лития Li2O(Fe2O3)5 и гамма-окиси железа γ-Fe2O3. Элементарная ячейка феррошпинелей представляет собой плотноупакованную гранецентрированную кубическую решетку из анионов кислорода, в промежутках между которыми определенным образом расположены 24 катиона металлов.

Химическая формула феррогранатов 3Me2O3 · 5Fe2O3 или Me3Fe5O12

(в общей формуле ферритов m = 6, n = 5, k = 3), где Me3+ – ион редкоземельного элемента: Y3+, Nd3+, Gd3+, Sm3+, Er3+ и др. Решетка таких фер-

ритов представляет собой кубическую объемно-центрированную решетку, образованную ионами кислорода.

В вычислительной технике находят применение ортоферриты с общей формулой Me2O3 · Fe2O3 или MeFeO3 (в общей формуле фер-

98

ритов m = 2, n = 1, k = 3), где Me – Y, Nd, Gd, Sm, Er, Eu, Pr, La, Ce, Tb, Nu и др. Ортоферриты характеризуются орторомбической структурой

сэлементарной ячейкой из четырех единиц MeFeO3 в виде моноклинных ячеек типа перовскита.

Ферриты с гексагональной структурой широко применяются в качестве постоянных магнитов и активных элементов в некоторых резонансных устройствах СВЧ-диапазона. Кроме того, разновидность этих ферритов, называемых феррокспланами, используется в некоторых специальных устройствах диапазона УКВ. К этой группе материалов

собщей формулой [(Ba + Me)k + O2k− ]m/2 (Fe2O3 )n , где k = 2, m в зависи-

мости от состава изменяется от 1 до 10, n – от 6 до 14, а Ме представляет собой катионы двухвалентных металлов Mn, Fe, Ni, Co, Zn и Mg, относятся гексаферриты бария, кальция, стронция и свинца со структурой, соответствующей структуре минерала магнетоплюмбита.

Производство ферритов в принципе основано на методах, принятых в технологии керамики, однако имеются некоторые особенности, касающиеся подготовки для формования и обжига изделий. Технологический процесс является многооперационным и длительным.

Исходным сырьем для изготовления магнитной керамики являются оксиды соответствующих металлов либо их соли в виде карбонатов, нитратов и оксалатов. В технологии ферритов решающее значение имеет чистота сырья, так как даже незначительное содержание примесей существенно изменяет свойства магнитной керамики.

При производстве ферритов применяют три основных метода приготовления шихты: 1) метод смешения и помола порошкообразных окислов (керамический метод); 2) метод термического разложения смеси солей соответствующих металлов до окислов; 3) метод совместного осаждения углекислых солей или гидроокисей с последующим термическим разложением их до окислов.

По первому способу чистые тонкоизмельченные порошки оксидов с размером зерен 1–3 мкм прессуют в виде брикетов и обжигают в окислительной среде при 500–1000 °С в зависимости от состава феррита. Обожженные брикеты дробят, измельчают.

Способ термического разложения солей основан на смешивании кристаллогидратов солей, в основном сульфатов, в расчете на стехиометрию по катионам будущего феррита. При нагревании до 60–70 °С смесь расплавляется, при 100–120 °С закипает, а при 300–320 °С соли разлагаются. В процессе нагревания происходит смешивание на моле-

99

кулярном уровне солей, при потере кристаллизационной воды смесь твердеет. Твердую смесь солей прокаливают при 950–1100 °С. При обжиге протекает реакция образования нужной фазы – феррошпинели, феррограната и т.п. Практикуется повторное измельчение, брикетирование и обжиг при 900–1000 °С в целях повышения гомогенности материала. Обоженный спек вновь измельчают.

При синтезе из гидроксидов или солей осаждают смесь гидроксидов или нерастворимых солей, например карбонатов и оксалатов в стехиометрическом соотношении к будущему соединению. Осадок промывают, фильтруют и сушат при 120 °С, а затем брикетируют, прокаливают до полного удаления влаги или кислотного остатка при температуре 300–800 °С. При этом протекает процесс ферритизации. Обоженные брикеты дробят и измельчают.

В производстве ферритов применяются следующие основные методы формования изделий:

• прессование на гидравлических или пневматических прессах

впресс-формах;

•изостатическое прессование (газовое, жидкостное);

•горячее литье под давлением из термопластичных шликеров;

•мундштучное прессование на экструзионных машинах;

•горячее прессование;

•взрывное (детонационное) формование;

•вибрационное уплотнение.

Сформованные изделия обжигают в зависимости от состава феррита при 1000–1400 °С. Обжиг ведут в печах с карбидокремниевыми нагревателями. При обжиге ферритов в печи создают соответствующую газовую среду, в которой при температуре обжига и охлаждения должно сохраняться равновесие между давлением диссоциации феррита и давлением кислорода. Для обжига большинства ферритов необходима окислительная среда при нормальном давлении кислорода. Однако для активно диссоциирующих ферритов, какими, например, являются мар- ганец-цинковые ферриты, необходимо устанавливать газовый режим с меняющимся парциальным давлением кислорода.

Для создания газовой среды с понижающимся парциальным давлением кислорода обжиговую печь помещают в вакуумную камеру, в которой снижается давление по так называемой вакуумной программе. Другим способом изменения парциального давления является обжиг

100