Электрические и теплофизические свойства гексагональных ферритов и композиций на их основе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.02, кандидат технических наук Серебрянников, Сергей Сергеевич

• Серебрянников, Сергей Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Серебрянников, Сергей Сергеевич

Введение.

Глава 1. Гексагональные ферриты, их магнитные, электрические и физические свойства.

1.1 Гексагональные ферриты и их структуры.

1.2 Свойства гексагональных ферритов.

1.2.1 Магнитные свойства гексагональных ферритов.

1.2.2 Электрические свойства ферритов.

Выводы к Главе 1.

Глава 2. Исследование адгезии наполненных полимерных композиций от различных подложек.

Выводы к Главе 2.

Глава 3. Электрические свойства гексагональных ферритов.

Выводы к Главе 3.

Глава 4. Термические свойства радиопоглощающих материалов.

4.1. Ферропласты на основе эпокси-содержащих материалов.

4.1.1. Удельная теплоемкость эпоксисодержащих материалов.

4.1.2. Теплопроводность радиопоглощающих материалов на основе эпоксидных смол.

4.2. Ферроэласты на основе пенополиуретанов.

4.2.1. Теплоемкость чистых и наполненных ферритами пенополиуретанов.

4.2.2. Теплопроводность радиопоглощающих пенополиуретанов.

4.2.3. Микроструктура и термическая стойкость пенополиуретанов.

4.3. Процессы деструкции полимеров.

4.3.1 Наполненные полимеры.

4.4. Исследование термодеструкции разработанных композиций.

4.5. Обработка термогравиметрической зависимости.

4.6. Используемая последовательность обработка дериватограммыю.

4.7. Результаты изучения термодеструкции эпоксидных композиций, наполненных гексагональными ферримагнитными компонентами и их обсуждение.

Выводы к главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электрические и теплофизические свойства гексагональных ферритов и композиций на их основе»

Актуальность работы. Использование многих основополагающих достижений в области электроники, радиотехники и вычислительной техники во многом стало возможным благодаря уровню и темпам исследований материалов для этих отраслей техники, а так же разработке современных технологий, обеспечивающих получения материалов с заданными свойствами. При этом многие известные материалы позволяют расширить область их применения в различных условиях, в том числе при воздействии магнитных и электрических полей, воздействия различных температур и т.д. В связи с этим появилась необходимость комплексного изучения свойств различных материалов - магнитных, электрофизических, теплофизических и других. Важное место среди материалов принадлежит ферритам, представляющим собой соединения оксида железа с оксидами других металлов и обладающих уникальным сочетанием магнитных и диэлектрических свойств.

С момента начала промышленного изготовления ферритов, область их применения неизмеримо расширилась. Основными отраслями стали вычислительная и сверхвысокочастотная техника, техника связи и телемеханика, электронное приборостроение, междисциплинарная область — электромагнитная совместимость.

Расширение областей применения ферритов, а также ужесточением условий их эксплуатации элементов и приборов на их основе, приводит к необходимости изучения всего спектра свойств, не ограничиваясь знаниями об электромагнитных характеристиках.

Эти причины определяют актуальность исследований, направленных на создание новых ферритовых материалов с требуемым комплексом свойств, систематизацию накопленной информации для развития методологии управления свойствами этих материалов, изучение спектра свойств гексагональных ферритов, исследование корреляции электрофизических и магнитных свойств материалов, а также их адгезионных и электрических характеристик.

Работа проводилась в соответствии с тематикой, предусмотренной научно-техническими программами Минобразования России «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», «Научные исследования высшей школы в области новых материалов», в рамках грантов Минобразования РФ, по тематическим планам, утвержденным Министерством образования России, по теме «Исследование электрофизических процессов в радиопоглощающих диэлектриках нового типа» номер 06-08-00497-а, а так же «Высокоанизотропные магнитные материалы для устройств СВЧ энергетики» номер 07-08-00237-а. Часть работы проводилось в рамках проекта У.М.Н.И.К.

Цель и задачи работы. Разработка научно-технических основ применения новых композиционных материалов с гексагональными ферритами в различных условиях эксплуатации. Достижение данной цели потребовало решение следующих задач:

Комплексные экспериментальные и теоретические исследование электрофизических и теплофизических свойств радиопоглащающих материалов, основой которых является гексаферритовых наполнителей, обладающих магнитодиэлектрическими потерями в диапазоне частот 2-20 ГГц и играющих роль высокоэффективной радиопоглощающей среды при частоте естественного ферромагнитного резонанса (ЕФМР).

Получение результатов комплексного исследования физико-химических свойств композиционных радиомагнитных материалов (КММ). Установление зависимостей электрических свойств легированных гексаферритов. Экспериментальные исследование зависимости адгезии к различным типам подложки в составе композиции. Наполнение дисперсионными, гексагональными ферритами полимерной композиции.

Методики исследования электрических, адгезионных и термодиструктивных свойств разработанных композиционных магнитных материалов.

Научная новизна работы:

1. На основе экспериментальных исследований получены зависимости электрического сопротивления pv(T) для гексаферритов Z в диапазоне температур от 20 до 650 °С.

2. Впервые получены экспериментальные данные по адгезии композиционных материалов на основе гексагональных ферритов к различным металлам.

3. Впервые приведены данные исследования теплофизических свойств композиционных материалов на основе гексагональных ферритов в различных композициях.

Практическая ценность полученных результатов:

1. Разработана экспериментальная установка для определения электрического сопротивления гексагональных ферритов при температурах от 20 до 800 °С;

2. Разработана методика экспериментального исследования адгезионных свойств композиций полимер - феррит к металлическим подложкам;

3. Получены значения параметров электрических свойств гексагональных ферритов Z структуры с различными легирующими добавками

4. Установлены влияния концентрации легирующих добавок на электрические свойства гексагонального феррита.

5. Изучены теплофизические свойства композиций на основе гексагональных ферритов;

6. Получены адгезионные свойства композиций полимер — феррит;

На защиту выносятся следующие положения:

1. экспериментальные данные по электрическим свойствам гексагональных ферритов Z и М легированных различными металлами;

2. результаты исследования физико-химических свойств композиционных радиопоглощающих магнитных материалов;

3. результаты исследования электрических и адгезионных свойств радиопоглощающих композиционных материалов;

4. результаты исследования зависимости адгезии наполненных полимерных композиций с гексагональным ферритом к различным металлическим подложкам;

5. предложенная оценка термодеструкции композиционных материалов на основе гексагональных ферритов;

КММ использованы при выполнении работ:

1. По государственному контракту с федеральным агентством по науке и инновациям по теме «Исследование и разработка новых специальных материалов для электротехнических и электроэнергетических устройств», в рамках федеральной целевой научно-технической программы;

2. Госбюджетных научно-исследовательских работ по теме «Исследование физико-химических и физико-механических свойств новых композиционных магнитных материалов».

3. В НИР, выполняемой по государственному оборонному заказу на 2007г., утвержденному постановлением Правительства Российской Федерации от 28 декабря 2006 года №812-37 с шифром "Двор-1 (МЭИ)".

4. В работах, выполняемых по программам Российского фонда фундаментальных исследований научной школой кафедры ФЭМАЭК МЭИ.

Результаты выполненных исследований используются в учебном процессе МЭИ (ТУ) при подготовке бакалавров, специалистов и магистров по направлению 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологи и».

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на XI международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (Москва, март 2005 г.), на Международной конференции электротехнические материалы и компоненты (Крым, Алушта, сентябрь 2006), на Международной конференции электротехнические материалы и компоненты (Крым, Алушта, сентябрь 2008)

Публикации по работе. Результаты диссертациониой работы опубликованы в 5 изданиях, в том числе в трудах конференций:

1. Бородулин В.Н., Серебрянников С.С. Композиционные магнитные материалы и их адгезионные свойства (Вестник МЭИ, 2007)

2. Термогравиметрический анализ процесса термической деструкции полимеров, наполненных гексагональными ферритами бария. Серебрянников С. (Кабели и провода №3, 2008 20-22 стр.)

3. Серебрянников С.В., Чепарин В.П., Серебрянников С.С., Еремцова JI.JI. Электропроводимость гексагональных ферритов структурных типов Z и W, Тезисы докладов, XI международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Москва, МЭИ, 2005.

4. Серебрянников С.С., Чепарин В.П. Электрофизические свойства гексагональных ферритов Z структуры.(Крым, Алушта, 2006)

5. Теплофизические свойства гексагональных ферритов и композиций на их основе. Серебрянников С.С. (Крым, Алушта, 2008)

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 64 наименований, содержит 101 страниц , 28 иллюстраций и 9 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические материалы и изделия», Серебрянников, Сергей Сергеевич

Выводы к главе 4

1. Получены композиционные магнитные материалы на основе эпоксидной смолы ЭД-22 и пенополиуретана, обладающие свойствами радиопоглощения и имеющие высокие диэлектрические характеристики.

2. Впервые изучены температурные зависимости удельной теплоемкости и теплопроводности электротехнических материалов на основе эпоксидной смолы ЭД-22, наполненной ферритами 3000НМ и BaFeio,5Sci.4Mno,iOi9 в различных соотношениях. Установлено, что наполнитель способствует расширению интервала стеклования полимера, повышает теплопроводность композиции. Сделано предположение о наличии в структуре исследованных композиций компонентов — граничных слоев, имеющих свойства, отличные как от свойств матрицы, так и свойств наполнителя.

3. Впервые использован бариевый гексаферрит BaFeio^Sci^MnojOig для создания композиционных радиопоглощающих материалов на основе электротехнических пенополиуретанов. Изучены теплофизические свойства композиций в интервале температур + 50 - +125°С, структура и термостабильность. Установлено, что феррит BaFe^Sci 4Mn0,iOi9 в качестве наполнителя обеспечивает более высокую термостабильность пенополиуретановой композиции по сравнению с композициями, имеющими в своем составе феррит 3000НМ.

4. Получены параметры кинетики термической деструкции полимерных композиций на основе эпоксидной смолы ЭД-22 с наполнителем в виде феррита Ba3Zn2Fe2404i. Установлено, что процесс термодеструкции композиций является трехстадийным процессом. Наличие наполнителя повышает термостойкость композиций, энергия активации процесса термодеструкции увеличивается.

5. Добавлением ферритового наполнителя в пенополиуретановую матрицу получены композиционные магнитные материалы, обладающими свойствами радиопоглощения электромагнитных излучений в диапазоне частот от 2 до 35 ГГц. Материалы имеют достаточно высокую теплопроводность в интервале температур 50 125 °С, что является важным при создании материалов, преобразующих электромагнитную энергию различной частоты в тепло и сохраняющих свои рабочие поглощающие свойства и работоспособность.

Заключение.

1. Впервые исследованы электрические свойства гексагонального феррита Z-типа в температурном диапазоне от 20 до 600°С

2. Показано, что механизм электропроводности в феррите во многом схож с механизмом в полупроводниках. Так исходя из зонной теории можно сказать что излом в районе точки Кюри это следствие двух параллельных механизмов проводимости — собственной и примесной.

3. Установлено, что с введением в феррит быстро релаксирующих легирующих металлов, происходит понижение электрического сопротивления, а с увеличением температуры это происходит более интенсивно.

4. Исследованы адгезионные свойства наполненных композиций ЭД-22 -ПЭПА - феррит к алюминиевым подложкам с различными концентрациями наполнителя в композиции

5. Показано, что с увеличением концентрации наполнителя ухудшается адгезия композиции к подложке. А так же с увеличением концентрации появляется когезионная составляющая отрыва.

6. Приведена температурная зависимость удельной теплоемкости полимерной композиции ЭД-22 и феррита в различных концентрациях.

7. Измерены значения коэффициента теплопроводности ряда наполненных композиций и сравнены с теоретически полученными данными.

8. Предложены эмпирические зависимости, позволяющие оценить изменение коэффициента теплопроводности композиций.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Серебрянников, Сергей Сергеевич, 2008 год

1. Смит Я., Вейн X. Ферриты. М.: Издательство иностранной литературы,1962, 504с.

2. Такэси Т. Ферриты./ Под ред. К.М. Поливанова. М.: Металлургия, 1964,- 194с.

3. Крупичка С. Физика ферритов и родственных им магнитных окислов. В2.х т. М.: Мир, - 1976.

4. Григорьева JI.H. Синтез и исследование СВЧ материалов на основегексаферритов с малыми диэлектрическими потерями. Отчет по НИР «Каландр», 1980, 127с

5. Левин Б.Е., Третьяков Ю.Д., Летюк Л.М. Физико-химические основыполучения, свойства и применения ферритов. М.: Металлургия, 1979, -471с.

6. Чепарин В.П. Получение и исследование монокристалловмагнитоодноосных ферритов с малыми собственными полями анизотропии. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, - М., 1970, - 220с.

7. Тикадзуми С. Физика ферромагнитизма. Магнитные характеристики ипрактические применения. М.: Мир, 1987, - 419с.

8. Алешко-Ожевский О.П., Сизов Р.А., Чепарин В.П., Ямзин И.И.

9. Геликоидальное антифазное спиновое упорядочение в гексагональном феррите со структкрой магнитоплюмбита. Письма в ЖЭТФ, 1968, с. 6, 7.

10. Чепарин В.П., Черкасов А.П. Магнитные материалы и их свойства. М.:1. МЭИ, 1990,- 108 с.

11. Становление и развитие научных исследований в области ферритовыхматериалов в МИСиС. /Летюк Л. М. ,Андреев В. Г., Гончар А. В.,

12. Канева И. И., Костишин В. Г., Крутогин Д. Г.//Изв. вузов. Матер, электрон, техн. 2005, № 3, с. 59-64.

13. Вредные вещества в промышленности. Справочник для химиков,инженеров и врачей./ Под общей ред. Н.В. Лазарева и Э.Н. Левиной. В 3-х т. Изд-е 7-е, Т. 3. «Неорганические и элементоорганические соединения», 1977, 607с.

14. Коллектив авторов/ Под ред. проф. Лазарева Н.В. Вредные вещества впромышленности. Дополнительный том. М.: Химия, 1969.

15. Зиион А.Д. Адгезия пленок и покрытий. М.: Химия, 1977, - 352 с.

16. Басин В.Е. Адгезионная прочность. М.: Химия, 1981, - 208 с.

17. Углов А.А. Адгезионная способность пленок. М.: Радио и связь, 1987,104 с.

18. Хекстра Дж., Фрициус К. В книге: Адгезия. М.: Издатинтлит, 1954, с.43-108.

19. Берлин А.А., Басин В.Е. Основы адгезии полимеров. М.: Химия, 1974,391с.

20. Mclaren fl.B. 3.1N*lra№r,$ci. Д348,чо1.3,р.652-662.

21. Ileyl N.A. ASTU. Proc., 1946, vol.46, p 1506-1519.

22. Москвитин Н.И. Склеивание полимеров. M.: Лесная промышленность,1968,-304 с.

23. Гуль В.Е. Структура и прочность полимеров. М.: Химия, 1971, - 344 с.

24. Дерягин Б.В., Кротова Н.А., Смилга В.П. Адгезия тверднх тел. М.- Л.:1. Наука, 1973, 279 с.

25. Дерягин Б.В., Кротова Н.А. Адгезия. М.-Л.: Изд. АН СССР, 1949,244с.

26. Басин В.Е., Степанова Г.П., Андрианов В.К., Иванов А.А.

27. Электротехн.пром. Сер.Электротехн.материалы, 1974, вып.9, с. 5 6.

28. Москвитин Н.И. Исследование явлений прилипания и склеивания.

29. Докторская диссертация. Институт физической химии АН СССР. К., 1951.31.