Магнитомягкий наполнитель для композиционного материала

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МАГНИТОМЯГКИЙ НАПОЛНИТЕЛЬ ДЛЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(72) Авторы Ильющенко Александр Федорович Судник Лариса Владимировна Барай Сергей Георгиевич Жук Елена Владимировна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(57) Магнитомягкий наполнитель для композиционного материала, содержащий покрытые оболочкой толщиной не более 100 нм, выполненной из наноструктурированной диэлектрической керамики из 2 или 23, или 2, или , глобулы из ферритовых частиц микронной и наноразмерной дисперсности, выбранных из шпинелей марганца и никеля,содержащих разновалентные катионы железа, причем количество ферритовых частиц составляет 10-20 мас. . Изобретение относится к магнитным материалам, а именно к магнитомягким наполнителям с высокой магнитной проницаемостью в СВЧ-диапазоне, и может использоваться для повышения экранирования от воздействия электромагнитного излучения при создании экранирующих конструкций в электронной и приборостроительной технике. Создание экранирующих конструкций предусматривает использование композиционных слоистых металлических материалов, состоящих из чередующихся пластин металлов с большей и меньшей электропроводностью, максимально плотно соединенных между собой 1, 2. Эти материалы имеют ряд недостатков невысокая рассеивающая способность материала и границ между соединяемыми пластинами большая металлоемкость при защите от воздействия миллиметровых и нанометровых волн не осуществляют надежного экранирования от магнитного излучения в ближней зоне плохая технологичность (трудности изготовления изделий сложного профиля). В конструкциях экранирования от магнитного излучения в ближайшей зоне используют специальные магнитомягкие сплавы и ферриты. Основными недостатками этих материалов являются их низкая технологичность (при механической обработке и сварке они теряют магнитные свойства), хрупкость, что делает необходимым увеличить толщину стенок конструкций, а значит, и вес конструкции в целом 2. 16139 1 2012.08.30 Снижение массогабаритных характеристик достигается использованием композиционных порошкообразных наполнителей экранов, содержащих магнитные порошки с высокой электропроводностью и диэлектрические - с высокими значениями магнитной проницаемости и полупроводники. Данный материал может использоваться при изготовлении конструкций, но плохая технологичность материала приводит к сложности при сварке,приводящей к потере магнитных свойств, а также малого вклада механизма поглощения в общем экранировании, складываемом из отражения и поглощения 3. Материалами, способными существенно повысить надежность компонентов радиоэлектронной аппаратуры, являются наноструктурированные композиционные радиопоглощающие материалы. При данных материалах существуют технологические трудности при обеспечении изолированности наночастиц друг от друга, а также формировании структурных элементов, способствующих рассеиванию высокочастотных колебаний 4, 5, 6. Известны порошкообразные наполнители многослойных экранов на основе мунганта,таурита и активированного угля, распределенные в полимерном диэлектрическом связующем. Последним слоем конструкции является металлический отражатель (алюминиевая фольга). Данный наполнитель, материал и конструкция на его основе эффективно используются в достаточно узком диапазоне частот (8-12 ГГц) 7. Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому результату являются магнитомягкий наполнитель и полимерный композиционный магнитный материал на его основе. Согласно изобретению, наполнитель содержит частицы размером 10-300 мкм из ферромагнетика - феррита, обладающего низким полем кристаллографической магнитной анизотропии, и оболочки из электропроводящего полимера толщиной 10-300 нм. В качестве феррита используются ферриты-шпинели марганца и никеля, содержащие разновалентные катионы железа или феррогранат иттрия, легированный металлами из ряда кремний, германий, титан, гадолиний, алюминий, кадмий, индий, кобальт и др. Композиционный магнитный материал получен прессованием и может содержать дополнительно включенный полимер - диэлектрик 8. Технический результат, достигаемый названным изобретением, - возможность управления величиной эффективной магнитной проницаемости и увеличение ее значения в СВЧ-диапазоне. Но данный материал также нетехнологичен из-за наличия в составе полимера не может подвергаться обработке рядом операций (например, сварке) является дорогостоящим из-за многоэтапности технологии получения, начиная со стадии подготовки наполнителя. Кроме этого, ферритовые частицы размером 10-300 мкм не позволяют достичь максимального поглощения магнитной составляющей электромагнитного излучения в высокочастотном диапазоне. Задачей предлагаемого изобретения является повышение конкурентоспособности изделий из композиционных магнитных материалов путем упрощения технологии их изготовления за счет снижения требований к омическому контакту и увеличения вклада механизма поглощения в общий эффект экранирования высокочастотных электромагнитных импульсов. Поставленная задача решается тем, что магнитомягкий наполнитель для композиционного материала содержит покрытые оболочкой толщиной не более 100 нм, выполненной из наноструктурированной диэлектрической керамики из 2 или 2, или ,глобулы из ферритовых частиц микронной и наноразмерной дисперсности, выбранных из шпинелей марганца и никеля, содержащих разновалентные катионы железа, причем количество ферритовых частиц составляет 10-20 мас. . Процесс получения магнитного материала из порошков стандартен, формирование изделий из подготовленного порошка может осуществляться полусухим прессованием и экструзией, литьем и т.д. Снижение содержания глобул менее 10 не позволяет достичь 2 16139 1 2012.08.30 высокого уровня экранирования, а повышение их содержания существенно не меняет экранирующие свойства, но приводит к удорожанию материала. Заявляемый наполнитель обладает следующей совокупностью существенных признаков магнитомягкий наполнитель содержит глобулы частиц микронного и нанодисперсного размера ферромагнетика - феррита (обладающего низким полем кристаллографической магнитной анизотропии), находящихся в оболочке из наноструктурированного керамического диэлектрика толщиной до 100 нм в качестве феррита использованы порошки из ряда шпинелей марганца и никеля, содержащих разновалентные катионы железа в качестве диэлектрического слоя-оболочки используют оксиды кремния, кобальта,алюминия, циркония. Совокупность существенных признаков заявляемого магнитомягкого наполнителя приводит к получению технического результата - повышению эффективности его использования в качестве магнитной компоненты композиционных материалов за счет обеспечения улучшенной магнитной связанности магнитных частиц, повышенных поглощающих свойств в сверхвысокочастотном диапазоне, а также улучшения качества наполнителя за счет наноструктурированности ферритов и диэлектрического нанослоя-оболочки достижения гомогенности структуры и воспроизводимости свойств. Заявляемый наполнитель отличается от известного рядом существенных признаков. Во-первых, изменена макроструктура заявляемого наполнителя ядро-оболочка так, заявляемый наполнитель представляет собой глобулы ферритовых частиц микронной и наноразмерной дисперсности. Во-вторых, изменен диапазон размеров частиц ферритового порошка. В-третьих, глобулы покрыты оболочками из наноструктурированного керамического диэлектрика. Анализ известного научно-технического уровня не позволил обнаружить решение,полностью совпадающее по совокупности существенных признаков с заявляемым изобретением. Это свидетельствует о новизне заявляемого объекта. Только совокупность существенных признаков заявляемого изобретения позволяет достичь указанного выше технического результата. Авторы заявляемого изобретения во время физических магнитных экспериментов с прототипом - композиционными материалами, полученными прессованием или литьем наполнителей, состоящих из ядра из ферромагнетика, обладающего низким полем кристаллографической магнитной анизотропии,в виде частиц произвольной формы размером 10-300 мкм, покрытых оболочкой из структурированного электропроводящего полимера толщиной 30-300 нм, установили, что эффективность магнитной проницаемости объекта действительна в строго ограниченной области частот, близких к мегагерцевому диапазону. До этих экспериментов считалось,что участие в композиционном материале наноразмерного компонента должно значительно расширить экранирующие свойства материала в область высокочастотных колебаний. Тем более трудно было предположить, что создание наполнителя с оболочкой из керамического диэлектрика, вместо полимерной, и композиционного материала из этого наполнителя обеспечит создание композиционного магнитного материала, сочетающего экранирующие свойства в области СВЧ-диапазона и повышенные механические свойства. Для подтверждения соответствия предлагаемого изобретения требованию промышленная применимость приведены примеры конкретного исполнения. Пример 1. Смесь из многодоменных марганец-никелиевого феррита и ультрадисперсного железного порошка подвергают гидротермальному синтезу в водной среде для окисления железной составляющей. После завершения процесса окисления смесь перемещают в водные растворы органических кислот алюминия или циркония (в зависимости от требуемого материала оболочки), затем подвергают импульсной сушке в течение 3-5 с, в результате 3 16139 1 2012.08.30 которой частицы смеси покрываются оболочкой наноразмерного оксида. Полученные порошки формуют любым стандартным методом полусухим прессованием, экструзией,литьем и т.п. Пример 2. Полученный порошок подвергали прессованию в металлических пресс-формах при давлении 1 т/см 2 и получали торроидальные образцы с наружным диаметром 8 мм и внутренним - 3,1 мм, толщина стенки 2,5 мм. На полученных образцах определяли комплексные значения диэлектрической и магнитной проницаемостей импедансным методом с помощью прибора Е 7-20 (изготовитель - Минский з-д Калибр). Гранулометрический состав, форма частиц и доказательство наноразмерности объектов получены на сканирующем электронном микроскопе высокого разрешения (до 1-2 нм) марки( , Англия) при увеличении 25000 и 50000 крат. В результате испытаний получены следующие данные, приведенные в табл. 1, 2. Таблица 1 Влияние наноструктурированных глобул на коэффициент экранирования материала наполнителя Увеличение коэффициента экранирования при введении наноструктурированного наполнителя Состав наполнителя частота 400 МГц частота 600 МГц частота 800 МГц наполнитель без добавок НСГ 1 1 1 с 5 НСГ 2,0 2,1 2,1 с 10 НСГ 6,0 6,0 6,1 с 15 НСГ 8,1 8,2 8,2 с 20 НСГ 6,2 6,1 6 Д с 30 НСГ 6,2 6,1 6 Д прототип 3,5 3,7 3,6 Примечание - наноструктурированные глобулы (НСГ). Таблица 2 Средние значения ослабления электромагнитного излучения при прохождении через материал наполнителя Коэффициент ослабления электромагнитного излучения, Дб Толщина диэлектрической оболочки, нм 2 23 2 8-10 20 17 18 50 40 45 37 100 45 40 43 100 4 5 5 Материал наполнителя обладает также лучшей технологичностью, может подвергаться прессованию (формованию) без временной связки, а при изготовлении изделий (ферритовые сердечники в виде стержней, трубок, колец) методами литья и экструзии возрастает стойкость формующей оснастки, т.к. наноразмерная оболочка резко снижает коэффициент трения частиц наполнителя со стенками оснастки. Применение разработанного материала наполнителя позволит снизить себестоимость изделий путем упрощения их конструкции и технологии изготовления за счет снижения требований к омическому контакту и суммирования механизмов экранирования отражение и поглощение, что дает возможность избежать резонансных явлений и увеличить коэффициент экранирования. 16139 1 2012.08.30 Источники информации 1. Каден Г. Электромагнитные экраны в высокочастотной технике и технике электросвязи. - М., 1957. - С.93. 2. Экранирование электронных средств и экранирующие системы материалы семинара. - М. ИТД Технологии, 2007. - С.11, 61-62. 3. Кондратьев Н., Журавский В. Использование наноструктурных материалов для повышения надежности РЭА // Наноиндустрия. -4. - 2008. - С. 14-18. 4.2247759, 2005. 5.2273925, 2006. 6.2300832, 2007. 7. Патент РБ 4663, МПК 701 17/00, 2008. 8.2336588, МПК(2006.01)01 1/3701 1/42, 227 1/02, 8 2133/00 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5