Φερρίτες μαγγανίου-ψευδαργύρου και φερρίτες νικελίου-ψευδαργύρου: σύσταση, διεργασία, μικροδομή, ιδιότητες

Abstract

On the basis of todays demand for the design and development of new magnetic MnZn and NiZn ferrite materials that satisfy the requirements of modern electronic and telecommunication applications, the present PhD thesis deals with the correlation between the several process parameters, the development of the polycrystalline microstructure and the electromagnetic behaviour of some MnZn and NiZn ferrite materials. The purpose of this research was the determination and understanding of the numerous phenomena that take place during the manufacturing of the above ferrite types and the combination of the mechanisms that are responsible for the required electromagnetic performance of the final materials with the chemical composition, the process parameters and the development of the polycrystalline microstructure during sintering. Through the completion of the above tasks, the design and manufacturing of high magnetic performing MnZn and NiZn ferrite materials that precisely meet the strict specifications of modern electronic and telecommunication applications was achieved. The role of the chemical composition of the raw materials, as well as the effect of dopant additions were studied for each of the selected ferrite types (MnZn and NiZn ferrites), under the prism of interaction between the above parameters and the conditions of the several process steps that determine their contribution to the development of the microstructure and magnetic performance. Regarding the chemical purity of the raw materials in the case of MnZn ferrites, the mechanism of the effect of the SiO2 impurity inherent presence in the Fe2O3 raw material was investigated, in relation to the magnetic quality of the sintered ferrite. The understanding of the phenomena that take place during the sintering process based on the study of grain growth kinetics, as well as the examination of the diffusion characteristics of SiO2 led to the tracking of the mechanisms that rule the effect of SiO2. The exploitation of the above findings enables the utilization of a low cost Fe2O3 raw material with high inherent SiO2 concentration, as the suggested adjustment of the manufacturing process enables the synthesis of final sintered MnZn ferrite products that are characterized by homogenous polycrystalline microstructure and satisfying magnetic performance. Regarding the effect of dopants in MnZn ferrites, the investigation of the mechanism through which the addition of TiO2 determines the magnetic properties and polycrystalline microstructure of MnZn ferrites and the detection of the process parameters that favour the controlled development of the polycrystalline microstructure led to the design of a new MnZn ferrite magnetic material which is ideal for high data transmission speed telecommunication applications, as it combines the absence of any chemical, structural and morphological imperfections with the demand for BH-loop linearity and significantly low signal distortion. The investigation of the mechanisms involved in the effect of CaO and Nb2O5 grain boundary dopants and CoO bulk dopant on the incremental magnetic permeability of the final MnZn ferrite, as well as the understanding of the role of process parameters on the magnetic behaviour of MnZn ferrites made possible the design of an adequate synthesis process that leads to the manufacturing of novel MnZn ferrite materials of high magnetic permeability for filter applications, which are characterized by high incremental permeability over a broad temperature range.

Καθώς οι σύγχρονες εφαρμογές ηλεκτρονικής και τηλεπικοινωνιών καθιστούν αναγκαίο τον εξειδικευμένο σχεδιασμό και την ανάπτυξη νέων μαγνητικών υλικών φερριτών MnZn και NiZn, η παρούσα διδακτορική διατριβή περιλαμβάνει τη μελέτη των μηχανισμών που διέπουν τις σχέσεις αλληλεπίδρασης μεταξύ της χημικής σύστασης, των διεργασιακών παραμέτρων, της πολυκρυσταλλικής μικροδομής και της μαγνητικής συμπεριφοράς ορισμένων υλικών φερρίτη MnZn και NiZn. Σκοπός της μελέτης αυτής ήταν ο προσδιορισμός και η κατανόηση των φαινομένων που λαμβάνουν χώρα κατά την παρασκευή των παραπάνω τύπων φερρίτη, και τελικά ο εντοπισμός των μηχανισμών που είναι υπεύθυνοι για τη διαμόρφωση της επιθυμητής μαγνητικής απόδοσης των τελικών υλικών. Η επίτευξη των παραπάνω στόχων κατέστησε δυνατό το σχεδιασμό εναλλακτικών διεργασιών και την παρασκευή νέων μαγνητικών υλικών φερρίτη MnZn και NiZn υψηλής μαγνητικής απόδοσης που συναντούν τις αυστηρές προδιαγραφές των σύγχρονων ηλεκτρονικών και τηλεπικοινωνιακών εφαρμογών. Ο ρόλος της χημικής σύστασης των πρώτων υλών, καθώς επίσης και η επίδραση των προσμίξεων μελετήθηκαν για καθέναν από τους παραπάνω τύπους φερρίτη (φερρίτες MnZn και NiZn) υπό το πρίσμα της αλληλεπίδρασης των παραπάνω παραμέτρων με τις συνθήκες διεργασίας που καθορίζουν τη συνεισφορά των πρώτων στη διαμόρφωση της πολυκρυσταλλικής μικροδομής και της μαγνητικής συμπεριφοράς των τελικών υλικών. Αναφορικά με τη χημική σύσταση των πρώτων υλών στην περίπτωση των φερριτών MnZn, μελετήθηκε ο μηχανισμός της επίδρασης της εγγενούς παρουσίας του SiO2 στην πρώτη ύλη Fe2O3 με τη μορφή πρόσμιξης στη μαγνητική ποιότητα των τελικών υλικών. Η κατανόηση των φαινομένων που λαμβάνουν χώρα κατά την πυροσυσσωμάτωση διαμέσου της κινητικής μελέτης της ανάπτυξης των κόκκων και η διερεύνηση των χαρακτηριστικών διάχυσης του SiO2 στην πρώτη ύλη οδήγησαν στον εντοπισμό των μηχανισμών που είναι υπεύθυνοι για τη δράση του SiO2. Η αξιοποίηση των παραπάνω ευρημάτων δίνει τη δυνατότητα για τη χρήση χαμηλού κόστους πρώτων υλών Fe2O3 με υψηλή εγγενή περιεκτικότητα σε SiO2, καθώς η προτεινόμενη προσαρμογή της διεργασίας παρασκευής επιτρέπει την παρασκευή τελικών υλικών φερρίτη MnZn που χαρακτηρίζονται από ομοιόμορφη πολυκρυσταλλική μικροδομή και ικανοποιητική μαγνητική απόδοση. Σχετικά με την επίδραση των προσμίξεων στους φερρίτες MnZn, η μελέτη του μηχανισμού επίδρασης του TiO2 στη μαγνητική ποιότητα φερριτών MnZn και ο εντοπισμός των διεργασιακών παραμέτρων που ευνοούν την ελεγχόμενη ανάπτυξη της πολυκρυσταλλικής μικροδομής οδήγησαν στην ανάπτυξη νέου μαγνητικού υλικού φερρίτη MnZn για εφαρμογές ταχείας μεταφοράς δεδομένων σε δίκτυα τηλεπικοινωνιών, το οποίο χαρακτηρίζεται από ελάχιστες χημικές, δομικές και μορφολογικές ατέλειες και ικανοποιεί τις ανάγκες γραμμικότητας του βρόχου υστέρησης και τελικά ελάχιστης παραμόρφωσης σήματος στο μετασχηματιστή.