Перспективы применения ферритов с высокими значениями магнитной и диэлектрической проницаемостей в качестве радиопоглощающих материалов

В работе представлен обзор исследований по влиянию основных параметров ферритов на их способность поглощения электромагнитного излучения (более 10 дБ) в мегагерцовом диапазоне. Основным преимуществом ферритов является высокий показатель преломления (более 1000) в мегагерцовом диапазоне длин волн благодаря сочетанию высоких значений магнитной и диэлектрической проницаемостей, позволяющий изготавливать эффективные радиопоглощающие покрытия малой толщины (менее 10 мм). Исследования показывают, что ослабление мощности отраженного от поверхности феррита электромагнитного излучения обусловлено как интерференционными процессами, так и процессами диссипации электромагнитной энергии при распространении в феррите. Обратно пропорциональная связь между показателем преломления и частотой электромагнитного излучения в мегагерцовом диапазоне обеспечивает условие интерференционного минимума отраженного излучения при постоянстве толщины ферритовых покрытий. Высокий показатель преломления обеспечивает замедление скорости распространения электромагнитных волн в ферритах, что усиливает процессы диссипации их энергии. Представлены исследования по влиянию базового химического состава ферритов, легирующих добавок, параметров микроструктуры и технологических режимов на их магнитную и диэлектрическую проницаемости. Исследования показали, что избыток оксида железа сверх стехиометрии, обеспечивающий полупроводниковые свойства зерен феррита, заметно повышает диэлектрическую проницаемость. Высокие значения диэлектрической проницаемости феррито обеспечиваются сочетанием диэлектрических свойств зернограничных прослоек и полупроводниковых свойств самих зерен, формирующих барьерную емкость границ зерен согласно механизму Окадзаки. Легирование ферритов оксидами TiO₂, Вi₂O₃, СаО в количестве до 1 масс.% позволяет повысить электросопротивление и диэлектрическую проницаемость зернограничных прослоек, обеспечивая повышение диэлектрической проницаемости феррита в целом. Установлено, что формирование плотной крупнозернистой структуры обеспечивает повышение как магнитной, так и диэлектрической проницаемостей.

1. Кривошеин Д.А., Муравей Л.А., Роева Н.Н., Шорина О.С., Эриашвили Н.Д., Юровицкий Ю.Г., Яковлев В.А. Экология и безопасность жизнедеятельности: Учеб. пособие для вузов, под ред. Л.А. Муравья. М.: ЮНИТИ-ДАНА; 2000. 447 с.

2. Буриченко Л.А. Охрана труда в гражданской авиации: Учеб. для вузов. М.: Транспорт; 1993. 288 с.

3. Алексеев А.Г., Штагер Е.А., Козырев С.В. Физические основы технологии STEALTH. СПб: ВВМ; 2007. 284 с. ISBN 5-9651-0240-2

4. Foxwell D., Jaxen D. Stealth approach: creating stealth ships. Jane's IDR (International Defense Review). 1988;31:43-45, 47-48.

5. Wang J., Lu L. Microwave Absorbing Features of Ce2(Co0.3Fe0.7)17/Ferrite Coating Material. Revue des Composites et des Matériaux Avancés. 2019;29(1):39-44. https://doi.org/10.18280/rcma.290107

6. Akinay Y., Hayat F., Colak B. Absorbing properties and structural design of PVB/Fe3O4 nanocomposite. Mater. Chem. Phys. 2019;229:460-466. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2019.03.039

7. Druv P., Pullar R., Singh C., Carvalho F. Design and development of Ga-substituted Z-type hexaferrites for microwave absorber applications: Mössbauer, static and dynamic properties. Ceram. Int. 2020;47(1):1145-1162. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.08.231

8. Айзикович Б.В., Алексеев А.Г., Клиодт М.Ф., Старостин А.П. Теоретические основы создания радиопоглощающих покрытий на основе наноструктуированных материалов. Труды ЦНИИ им. Акад. А.Н. Крылова. 2006;30(314):136-145.

9. Штагер Е.А. Отражение радиоволн от кораблей и других морских объектов. Санкт-Петербург: ВВМ; 2005. 418 с. ISBN 5-9651-0041-8

10. Kumar A., Singh S. Development of Coatings for Radar Absorbing Materials at X-band. IOP Conf. Series Materials Science and Engineering. 2018;330:012006. https://doi.org/10.1088/1757-899X/330/1/012006

11. Вызулин С.А., Каликинцева Д.А., Мирошниченко Е.Л., Бузько В.Ю., Горячко А.И. Радиопоглощающие свойства никель-цинковых ферритов, синтезированных различными способами. Изв. РАН. Серия физическая. 2018;82(8):1045-1047. https://doi.org/10.1134/S0367676518080434

12. Вергазов Р.М., Андреев В.Г. Особенности интерференции при отражении электромагнитных волн от ферритовых пластин на металлической подложке. В: Актуальные проблемы науки: сб. ст. IX Междунар. науч.-практ. конф; Пенза: Типография ИП Соколов А.Ю.; 2014. C. 215-219.

13. Шольц Н.Н., Пискарев К.А. Ферриты для радиочастот. Л.: Энергия, 1966. 324 с.

14. Бибиков С.Б., Титов А.Н., Черепанов А.К. Синтез материала с заданным коэффициентом отражения в широком диапазоне частот и углов падения. Труды XV Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь». Воронеж: Изд. НПФ «Саквоее»; 2009. С. 1578-1584.

15. Окадзаки К. Технология керамических диэлектриков: пер. с яп. М.: Энергия; 1976. 336 с.

16. Вергазов Р.М. Влияние легирующих добавок на диэлектрическую проницаемость Ni-Zn ферритов. Актуальные проблемы науки: сб. ст. XIII Междунар. науч.-практ. конф. Пенза: Изд-во ПГУ; 2018. С. 235-240.

17. Детлаф А.А., Яворский В.М. Курс физики: Учеб. пособие для втузов. М.: Академия; 2008. 719 c. ISBN 978-5-7695-4875-8

18. Garnero L., Franchois A., Hugonin J., Pichot C., Joachimowicz N. Microwave imaging-complex permittivity reconstruction by simulated annealing. IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 1991;39(11):1801-1807. https://doi.org/10.1109/22.97480

19. Покусин Д.Н., Чухлебов Э.А., Залесский М.Ю. Комплексная магнитная проницаемость ферритов в области естественного ферромагнитного резонанса. Радиотехника и электроника. 1991;36(11):2085-2091.

20. Ранкис Г.Ж. Динамика намагничивания поликристаллических ферритов. Рига: Зинатне; 1981. 186 с.

21. Летюк Л.М., Журавлев Г.И. Химия и технология ферритов. Л.: Химия; 1983. 256 с.

22. Анциферов В.Н., Летюк Л.М., Андреев В.Г., Гончар А.В., Дубров А.Н., Костишин В.Г., Майоров В.Р., Сатин А.И. Проблемы порошкового материаловедения. Часть 5. Технология производства порошковых ферритовых материалов. Екатеринбург: УрО РАН; 2005. 408 с.

23. Анциферов В.Н., Гончар А.В., Андреев В.Г. Летюк Л.М. Водорастворимые связующие вещества в технологии порошковых ферритовых материалов. Пермь: Респ. инженер.-техн. центр порошковой металлургии: Перм. гос. техн. ун-т; 1996 (1997). 188 с. ISBN 5-88151-112-3

24. Анциферов В.Н., Андреев В.Г., Гончар А.В. и др. Реология дисперсных систем в технологии функциональной магнитной керамики. Екатеринбург: УРО РАН; 2003. 208 с.

25. Костишин В.Г., Вергазов P.M., Андреев В.Г., Бибиков С.Б., Подгорная С.В., Морченко А.Т. Влияние микроструктуры на свойства радиопоглощающих Ni-Zn-ферритов. Известия вузов. Материалы электронной техники. 2010;4:18-21.

26. Меньшова С.Б., Лапшин Э.В., Бибиков С.Б., Прокофьев М.В., Вергазов Р.М. Влияние параметров микроструктуры на радиофизические характеристики Ni-Zn ферритовых материалов. Известия вузов. Поволжский регион. (Технические науки). 2010;3(15):123-134.

27. Вергазов Р.М., Костишин В.Г., Андреев В.Г., Морченко А.Т., Комлев А.С., Николаев А.Н. Влияние легирующих добавок на свойства радиопоглощающих Mg-Zn-ферритов, полученных методом радиационно-термического спекания. Инженерный вестник Дона: электрон. науч. журн. 2013;3(26):118.

28. Вергазов Р.М. Влияние добавок TiO2 на радиопоглощающие свойства Mn-Zn ферритов. В: Труды Международного симпозиума «Надежность и качество». Пенза; 2016. Т. 2. С. 103-104.

29. Вергазов Р.М., Андреев В.Г. Влияние легирующих добавок на температурную зависимость диэлектрической проницаемости Ni-Zn ферритов. Актуальные проблемы науки: сб. ст. XV Междунар. науч.-практ. конф. Пенза: Изд-во ПГУ; 2019. С. 161-166.

30. Макаров Б.В., Гильденблат Ш.Н. Влияние некоторых технологических факторов на плотность изделий из Mn-Zn ферритов. Электронная техника. Серия 7. 1971;2:37-44. 31. Макаров Б.В., Андреев В.Г., Летюк Л.М. Деформация гранул при сухом прессовании ферритовых пресспорошков. Порошковая металлургия. 1985;5:6-9.

31. Костишин В.Г., Вергазов Р.М., Андреев В.Г., Бибиков С.Б., Морченко А.Т., Канева И.И., Майоров В.Р. Влияние технологических факторов на диэлектрическую проницаемость и радиопоглощающие характеристики никель–цинковых ферритов. Известия вузов. Материалы электронной техники. 2011;2:33-37.

32. Андреев В.Г., Меньшова С. Б. Влияние степени агрегированности порошков на процессы структурообразования и свойства высокопроницаемых Mn–Zn-ферритов. Известия вузов. Поволжский регион. (Технические науки). 2007;3:143-149.

33. Летюк Л.М., Костишин В.Г., Гончар А.В. Технология ферритовых материалов магнитоэлектроники. М.: МИСиС; 2005. 352 с. ISBN 5-87623-133-9

34. Andreev V.G., Menshova S.B., Klimov A.N., Vergazov R.M., Bibikov S.B., Prokofiev M.V. Influence of microstructure on properties of Ni–Zn ferrite radio-absorbing materials. J. Magn. Magn. Mater. 2015;394(1):1-6. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2015.06.007

35. Вергазов Р.М., Андреев В.Г. Исследование температурной зависимости диэлектрической проницаемости радиопоглощающих Ni-Zn ферритов. Актуальные проблемы науки: материалы XII Междунар. науч.-практ. конф. Кузнецк: Кузнецкий институт информационных и управленческих технологий; 2017. С. 152-154.

36. Костишин В.Г., Вергазов Р.М., Андреев В.Г., Бибиков С.Б. Влияние легирующих добавок и газового режима атмосферы печи при спекании на поглощение электромагнитных волн Ni-Zn ферритами. Труды VIII международной конференции «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов». 9-10 июнь 2011 г. Алматы. С. 521-530.

37. Andreev V.G., Menshova S.B., Klimov A.N., Vergazov R.M. The Influence of Basic Composition and Microstructures on the Properties of Ni-Zn Ferrite Radio-Absorbing Materials. J. Magn. Magn. Mater. 2015;393(1):569-573. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2015.06.030

38. Kostishyn V.G., Vergazov R.M., Andreev V.G., Bibikov S.B., Morchenko A.T., Kaneva I.I., Maiorov V.R. Influence of Technological Factors on Dielectric Permeability and Radio-Wave Absorbing Characteristics of Nickel-Zinc Ferrites. Russian Microelectronics. 2012;41(8):469-473. https://doi.org/10.1134/S1063739712080094

39. Druv P., Meena S., Pullar R., Carvalho F. Investigation of structural, magnetic and dielectric properties of gallium substituted Z-type Sr3Co2-xGaxFe24O41 hexaferrites for microwave absorbers. J. Alloy. Compd. 2020;822:153470. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.153470

40. Меньшова С.Б., Бибиков С.Б., Вергазов Р.М., Андреев В.Г., Куликовский Э.И. Способ получения радиопоглощающего никель-цинкового феррита: Пат. 2486645. Россия. Заявка № 2011141352/07. заявл. 13.10.2011; опубл. 27.06.2013. Бюл. № 18.

41. Костишин В.Г., Вергазов Р.М., Андреев В.Г., Подгорная С.В. Способ получения радиопоглощающего магний-цинкового феррита: Пат. 2454747 Россия. Заявка № 2011115700/07. заявл. 21.04.2011; опубл. 27.06.2012. Бюл. №18.

42. Костишин В.Г., Вергазов Р.М., Андреев В.Г., Бибиков С.Б. Исследование поглощения электромагнитных волн в композиционных материалах на основе порошков Mn-Zn-ферритов. Труды IX Международной конференции «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов». Астрахань: Издательский дом «Астраханский университет»; 2012. С. 619-627.

43. Вергазов Р.М., Андреев В.Г. Исследование радиопоглощающих свойств Mn-Zn ферритов. Актуальные проблемы науки: материалы X Междунар. науч.-практ. конф. Кузнецк: Кузнецкий институт информационных и управленческих технологий; 2015. С. 165-168.