Μελέτη της επίδρασης της μικροδομής στις ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες φερριτών νικελίου-ψευδαργύρου

Abstract

In the present study the microstructure of NiZn ferrite is examined in order to investigate the manner through which microstructure affects its electric and magnetic properties. All the samples were synthesized with the mixed oxide method. Microstructural investigations were carried out with transmission electron microscopy, conventional and high resolution, with EDS. Also, various other techniques were used, such as x-ray diffraction pattern, adsorption-desorption of nitrogen and atomic emission spectroscopy. The electrical characterization was performed with impedance spectroscopy. Magnetic characterization consists of the measurements of magnetic permeability and losses. The aim of this work is to understand the mechanism through which the microstructure affects the electrical and magnetic properties of NiCuZn ferrites. A study of the partial substitution of Ni by Cu in NiZn ferrites with the general formula (Ni1-xCuxZn0.63)Fe1.93O4 was performed. The Cu facilitates the sintering: this means that it enhances the grain growth and affects also the porosity. Meanwhile, defects such as dislocations and subgrain boundaries were observed in lower sintering temperatures. For sintering temperatures lower than the Cu reductions, the impedance were slightly increased. This is also due to the increase of the lattice constant. For Cu>0.22 and Τ>1086°C the diameters of the grains are getting bigger while Cu-rich phases are formed. This, in addition to the Cu contribution to total conductivity, leads to a drop in the impedance. The analysis of electrical measurements also revealed the two parameters that contribute to the total conductivity: grain and grain boundaries. Each one of them is affected by microstructural characteristics such as dislocations, porosity and Cu-phases differently. Moreover, the effect of an extra annealing to the magnetic properties of NiCuZn ferrites was investigated. The absence of defects after the annealing reduces the hysteresis losses, which is the predominant factor to total losses at 50kHz. Meanwhile, for higher frequencies, where eddy current losses control the total losses, the annealing caused the increase of the relative loss factor, due to the decrease of the impedance of the material.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή ασχολείται με τη μελέτη της επίδρασης της μικροδομής φερριτών νικελίου-ψευδαργύρου στις ηλεκτρικές και μαγνητικές τους ιδιότητες. Η σύνθεση των δειγμάτων πραγματοποιήθηκε με τη κλασσική κεραμική μέθοδο. Η ανάλυση της μικροδομής συνίσταται από τη μελέτη με την ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης και σάρωσης με τη χρήση της στοιχειομετρικής ανάλυσης και τις τεχνικές της περίθλασης ακτίνων-χ, ρόφησης αζώτου και ατομικής φασματοσκοπίας εκπομπής. Ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός των δειγμάτων πραγματοποιήθηκε με τη φασματοσκοπία σύνθετης αντίστασης ενώ ο μαγνητικός χαρακτηρισμός συνίσταται από τις μετρήσεις της μαγνητικής διαπερατότητας και των απωλειών του υλικού. Στόχος της διατριβής είναι η κατανόηση των μηχανισμών μέσω των οποίων η μικροδομή επηρεάζει την ηλεκτρική και μαγνητική συμπεριφορά του υλικού. Η μελέτη της επίδρασης της σταδιακής αντικατάστασης του Ni από το Cu έγινε σε φερρίτες NiZn με το γενικό χημικό τύπο (Ni1-xCuxZn0.63)Fe1.93O4. Όπως διαπιστώθηκε η αύξηση του Cu έχει ως αποτέλεσμα την επιτάχυνση των διαδικασιών της πυροσυσσωμάτωσης: την ανάπτυξη των κόκκων και την μεταβολή του πορώδους. Παράλληλα, οι ατέλειες της δομής, όπως οι εξαρμόσεις, εμφανίζονται σε όλο και μικρότερες θερμοκρασίες πυροσυσσωμάτωσης. Για θερμοκρασίες μικρότερες της αναγωγής του Cu η αύξησή του έχει ως αποτέλεσμα την μικρή αύξηση της εμπέδησης του υλικού, η οποία αποδίδεται εν μέρη στην αύξηση της πλεγματικής σταθεράς. Aντίθετα, για Cu>0.22 και Τ>1086°C οι κόκκοι αυξάνονται πολύ σε μέγεθος ενώ παράλληλα δημιουργούνται πολλές φάσεις Cu. Ως εκ τούτου και λόγω της συμμετοχής του Cu στην αγωγιμότητα η εμπέδηση μειώνεται. Η ανάλυση των ηλεκτρικών μετρήσεων οδήγησε στο διαχωρισμό των δύο παραγόντων που συμβάλλουν στη συνολική αγωγιμότητα του υλικού- των κόκκων και των ορίων των κόκκων - ενώ διαπιστώθηκαν τα στοιχεία της μικροδομής που επηρεάζουν τον κάθε ένα από αυτούς. Στη συνέχεια, διερευνάται η επίδραση της επιπλέον ανόπτησης των υλικών στις μαγνητικές τους ιδιότητες. Η απομάκρυνση των ατελειών της μικροδομής από το εσωτερικό των κόκκων έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση των σημείων αγκίστρωσης και άρα τη μείωση των απωλειών υστέρησης, κυρίαρχου παράγοντα διαμόρφωσης των απωλειών στη συχνότητα των 50kHz. Ως εκ τούτου μειώνονται οι συνολικές απώλειες. Αντίθετα, στις υψηλές συχνότητες η εμπέδηση αυξάνεται με αποτέλεσμα την αύξηση των απωλειών δινορευμάτων και του σχετικού παράγοντα απωλειών.