Title:
Mo-dotiertes Co2Z-Typ-Ferrit-Verbundmaterial zur Verwendung in Ultrahoch-frequenzantennen
Kind Code:
T5


Abstract:

Bereitgestellt wird eine Hexaferrit-Zusammensetzung, die Molybdän und eines oder beides von Barium und Strontium enthält, mit der Formel (BazSr(3-z))Co(2+x)MoxFe(y-2x)O41, wobei x = 0,01 bis 0,20; y = 20 bis 24; und z = 0 bis 3. Die Zusammensetzung kann hohe Permeabilitäten und gleiche oder im Wesentlichen gleiche Werte für Permeabilität und Permittivität aufweisen, während geringe magnetischen und dielektrische Verlusttangenten und Verlustfaktoren beibehalten werden. Die Zusammensetzung ist für Hochfrequenz-Anwendungen, wie Ultrahochfrequenz- und Mikrowellen-Antennen und andere Geräte geeignet.




Inventors:
Chen, Yajie, Mass. (Brighton, US)
Harris, Vincent, Mass. (Sharon, US)
Application Number:
DE112016000536
Publication Date:
12/28/2017
Filing Date:
02/01/2016
Assignee:
Rogers Corp. (eine Ges.n.den Gesetzen d. Staates Massachusetts) (Conn., Rogers, US)
International Classes:



Attorney, Agent or Firm:
Müller Schupfner & Partner Patent- und Rechtsanwaltspartnerschaft mbB, 80336, München, DE
Claims:
1. Hexaferrit-Zusammensetzung umfassend Eisen, Cobalt, eines oder beides von Barium und Strontium, und Molybdän, wobei die Ferritzusammensetzung eine Z-Typ-Hexaferritphase mit der Formel (BazSr(3-z))Co(2+x)MoxFe(y-2x)O41 umfasst
wobei x = 0,01 bis 0,20;
y = 20 bis 24; und
z = 0 bis 3.

2. Hexaferrit-Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei x = 0,08 bis 0,15.

3. Hexaferrit-Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei x = 0,10 bis 0,12.

4. Hexaferrit-Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Hexaferrit-Zusammensetzung eine reelle Permeabilität von mindestens 3,0 über einen Frequenzbereich von 0,1 bis 3,0 GHz aufweist.

5. Hexaferrit-Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Hexaferrit-Zusammensetzung eine reelle Permeabilität von mindestens 7,0 über einen Frequenzbereich von 0,1 bis 3,0 GHz aufweist.

6. Hexaferrit-Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Hexaferrit-Zusammensetzung eine reelle Permeabilität im Bereich von 7,0 bis 12,0 über einen Frequenzbereich von 0,1 bis 3,0 GHz aufweist.

7. Hexaferrit-Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei z = 1,2 bis 3,0, und die Hexaferrit-Zusammensetzung eine reelle Permeabilität im Bereich von 8,0 bis 12,0 über einen Frequenzbereich von etwa 0,1 GHz bis mindestens 1,0 GHz aufweist.

8. Hexaferrit-Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei z = 0 bis 0,5, und die Hexaferrit-Zusammensetzung eine reelle Permeabilität im Bereich von 2,0 bis 4,0 über einen Frequenzbereich von etwa 0,1 GHz bis etwa 3,0 GHz aufweist.

9. Hexaferrit-Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Hexaferrit-Zusammensetzung eine reelle Permittivität von mindestens 6,0 über einen Frequenzbereich von 0,1 bis 3,0 GHz aufweist.

10. Hexaferrit-Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Hexaferrit-Zusammensetzung eine reelle Permittivität von mindestens 8,0 über einen Frequenzbereich von 0,1 bis 3,0 GHz aufweist.

11. Hexaferrit-Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Hexaferrit-Zusammensetzung eine reelle Permittivität im Bereich von 6,0 bis 18,0 über einen Frequenzbereich von 0,1 bis 10,0 GHz aufweist.

12. Hexaferrit-Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei eine reelle Permittivität der Hexaferrit-Zusammensetzung gleich einer reellen Permeabilität der Hexaferrit-Zusammensetzung innerhalb von 10 % ist.

13. Hexaferrit-Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Hexaferrit-Zusammensetzung eine charakteristische Impedanz aufweist, die mit einer Impedanz des Vakuums innerhalb von 3 % übereinstimmt.

14. Hexaferrit-Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Hexaferrit-Zusammensetzung eine dielektrische Verlusttangente, tanδε von weniger als 0,02 bei einer Frequenz von 0,1 bis 0,8 GHz aufweist.

15. Hexaferrit-Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Hexaferrit-Zusammensetzung eine dielektrische Verlusttangente, tanδε, von weniger als 0,16 bei einer Frequenz von 0,1 bis 1,0 GHz aufweist.

16. Hexaferrit-Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Hexaferrit-Zusammensetzung eine magnetische Verlusttangente tanδµ von ungefähr 0,1 bei 0,4 GHz aufweist.

17. Hexaferrit-Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Hexaferrit-Zusammensetzung eine magnetische Verlusttangente tanδµ von weniger als 0,3 bei einer Frequenz von 0,1 bis 0,8 GHz aufweist.

18. Hexaferrit-Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Hexaferrit-Zusammensetzung eine magnetische Verlusttangente tanδµ von weniger als 0,95 bei einer Frequenz von 0,1 bis 3,5 GHz aufweist.

19. Hexaferrit-Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Hexaferrit-Zusammensetzung eine magnetische Verlusttangente, tanδµ, im Bereich von 0,1 bis 1,0 über einen Frequenzbereich von 0,1 bis 1,0 GHz aufweist.

20. Hexaferrit-Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Hexaferrit-Zusammensetzung einen dielektrischen Verlustfaktor tanδε/ε' von weniger als 0,001 bei einer Frequenz von 0,8 GHz aufweist.

21. Hexaferrit-Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Hexaferrit-Zusammensetzung einen magnetischen Verlustfaktor tanδµ/µ' von weniger als 0,03 bei einer Frequenz von 0,8 GHz aufweist.

22. Gegenstand, umfassend die Hexaferrit-Zusammensetzung nach Anspruch 1.

23. Gegenstand nach Anspruch 22, wobei der Gegenstand eine Antenne, ein Filter, eine Spule, ein Zirkulator oder Phasenschieber ist.

24. Gegenstand nach Anspruch 22, wobei der Gegenstand eine Mikrowellenantenne ist.

25. Gegenstand nach Anspruch 24, wobei der Gegenstand eine Antenne ist, die bei einer Frequenz von gleich oder größer als 0,1 GHz funktionsfähig ist.

26. Gegenstand nach Anspruch 24, wobei der Gegenstand eine Antenne ist, die bei einer Frequenz von gleich oder größer als 0,3 GHz funktionsfähig ist.

27. Gegenstand nach Anspruch 24, wobei der Gegenstand eine Antenne ist, die 0,1 bis 1,5 GHz funktionsfähig ist

28. Gegenstand nach Anspruch 24, wobei der Gegenstand eine Antenne ist, die bei 0,3 bis 1,0 GHz funktionsfähig ist.

29. Gegenstand nach Anspruch 22, weiterhin umfassend eine zweite Hexaferrit-Zusammensetzung, umfassend eine Z-Typ-Hexaferritphase mit der Formel (BazSr(3-z))Co(2+x)MoxFe(y-2x)O41wobei x = 0,01 bis 0,20;
y = 20 bis 24; und
z = 0 bis 3; und
wobei sich die Menge an Ba und die Menge an Sr in der Hexaferrit-Zusammensetzung und der zweiten Hexaferrit-Zusammensetzung unterscheiden.

30. Gegenstand nach Anspruch 29, wobei eine Grenzfrequenz der zweiten Hexaferrit-Zusammensetzung höher ist als eine Grenzfrequenz der Hexaferrit-Zusammensetzung.

31. Gegenstand nach Anspruch 29, wobei die Hexaferrit-Zusammensetzung eine reelle Permeabilität im Bereich von 8,0 bis 12,0 über einen Frequenzbereich von etwa 0,1 GHz bis mindestens 1,0 GHz, und die zweite Hexaferrit-Zusammensetzung eine reelle Permeabilität im Bereich von 2,0 bis 4,0 über einen Frequenzbereich von etwa 0,1 GHz bis etwa 3,0 GHz aufweist.

32. Gegenstand nach Anspruch 22, wobei der Gegenstand ein Riesenmagnetowiderstandsgerät oder ein Riesentunnelmagnetowiderstandsgerät ist.

33. Verfahren zur Herstellung einer Hexaferrit-Zusammensetzung, umfassend:
(a) Bereitstellen von Hexaferritphasen-Vorläuferverbindungen, umfassend Fe, Ba, Co, und Mo,
(b) Calcinieren der Hexaferritphasen-Vorläuferverbindungen an Luft unter Bildung eines Materials, umfassend eine Z-Typ-Hexaferritphase.

34. Verfahren nach Anspruch 33, wobei die Hexaferritphasen-Vorläuferverbindungen Oxide von Fe, Ba, Co, und Mo umfassen.

35. Verfahren nach Anspruch 33, wobei die Hexaferritphasen-Vorläuferverbindungen MoO2, BaCO3, CO3O4, und Fe2O3 umfassen.

36. Verfahren nach Anspruch 33, wobei die Hexaferritphasen-Vorläuferverbindungen von 0 bis 0,96 Gew.-% MoO2, 22,10 bis 22,18 Gew.-% BaCO3, 6,02 bis 6,59 Gew.-% CO3O4, und 70,35 bis 71,8 Gew.-% Fe2O3 umfassen.

37. Verfahren nach Anspruch 33, wobei die Vorläuferverbindungen in Schritt (b) bei 1000 bis 1300 °C calciniert werden.

38. Verfahren nach Anspruch 33, weiterhin folgendes umfassend:
(c) Zerkleinern des in Schritt (b gebildeten Materials unter Bildung eines Pulvergemischs, und
(d) Sintern des Pulvergemischs.

39. Verfahren nach Anspruch 38, wobei das Pulvergemisch bei 1200 bis 1280 °C gesintert wird.

40. Verfahren nach Anspruch 38, wobei das Pulvergemisch 4 bis 20 Stunden gesintert wird.

41. Verfahren nach Anspruch 38, wobei das Pulvergemisch in einer Sauerstoffatmosphäre gesintert wird.

42. Verfahren nach Anspruch 38, weiterhin umfassend das Formen des Pulvergemischs zu einem Pressling vor Schritt (d).

43. Verfahren nach Anspruch 38, weiterhin umfassend die Zugabe eines Bindemittels zu dem Pulvergemisch.

44. Verfahren nach Anspruch 43, wobei das Bindemittel ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus einem Polyvinylalkohol, Methylcellulose, Polyethylenglycol, und Poly(alkylencarbonat).

45. Verfahren nach Anspruch 43, wobei das Bindemittel Polyvinylalkohol ist, umfassend 8 % bis 12 Gew.-% des Pulvergemischs.

46. Verfahren nach Anspruch 38, weiterhin umfassend:
(e) Zerkleinern des in Schritt (d) gebildeten Materials unter Bildung eines Pulvergemischs; und
(f) Tempern des in Schritt (e) gebildeten Pulvergemischs.

47. Verfahren nach Anspruch 46, wobei das Pulvergemisch bei 800 bis 1000 °C getempert wird.

48. Verfahren nach Anspruch 46, wobei das Pulvergemisch 9 bis 20 Stunden getempert wird.

Description:
HINTERGRUND

Um den ständig wachsenden Nachfragen nach Geräten gerecht zu werden, die bei Ultrahochfrequenz (UHF), L-Band und S-Band-Anwendungen verwendet werden, die für eine Vielzahl von Industrien in Gewerbe und Rüstung von besonderem Interesse sind, erfordert es verbesserter Leistung und Miniaturisierung. Es werden andauernd Antennenelemente, als eine kritische Komponente in Radar- und modernen drahtlosen Kommunikationssystemen, mit kompakter Größe entwickelt. Die Entwicklung von Ferrit-Materialien zur Verwendung bei solchen Hochfrequenz-Anwendungen gestaltete sich allerdings bisher sehr schwierig. Die bekannten Ferrit-Verbundmaterialien zeigen bei hohen Frequenzen relativ hohe magnetische Verluste, die dem Bedarf, damit eine brauchbare Antenne zu bauen, nicht gerecht werden.

Allgemeiner gesagt, nimmt der Bedarf an Hochleistungsgeräten mit miniaturisierter Struktur in modernen drahtlosen Kommunikationssystemen immer mehr zu. Ein Material, das hohe Permeabilität bei entsprechender Permittivität und mit geringen magnetischen und dielektrischen Verlusten aufweist, ist als Antennensubstratmaterial ideal. Solche Materialien ermöglichen Miniaturisierung, während zugleich Antennen-Gewinn und -Bandbreite aufrechterhalten oder verstärkt werden. Spinellferrite mit hohen Permeabilitätswerten, wie NiZn-Ferrite, werden bereits für Hochfrequenz-Anwendungen breit eingesetzt. Allerdings zeigen diese Ferrite relativ niedrige Grenzfrequenzen, was ihre Verwendung oberhalb von 0,3 GHz verhindert. Einige Hexaferrit-Materialien, wie Cobalt-substituierte Barium-Y-Typ(Co2Y)- und -Z-Typ(Co2Z)-Hexaferrite, weisen oberhalb von 1,0 GHz auf Grund ihrer hohen magnetokristallinen Anisotropiefelder und hohen Permeabilitäten viel höhere ferromagnetische Resonanzfrequenzen auf. Demnach ist die Verwendung von magnetodielektrischen Substraten mit Werten für die Permittivität ε', die der Permeabilität µ' entsprechen, auf Grund der Leichtigkeit in der Impedanzübereinstimmung zwischen Substrat und Vakuumraum, neben anderen Vorteilen, gebräuchlich. Es ist jedoch sehr schwierig, für die dielektrischen Substrate geringe magnetische und dielektrische Verluste und hohe Permeabilität zu erhalten. So wurde berichtet, dass für Co2Y ε' 15–20 und µ' 2–3 beträgt, während für Co2Z ε' 12 und µ' 18–19 beträgt, aber der magnetische Verlust des Einphasen-Y- oder Z-Typ-Ferrits immer noch beträchtlich hoch ist (Verlusttangente, tanδµ > ,5) bei f > 0,5 GHz.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft eine Hexaferrit-Zusammensetzung, die als magnetisches Material in elektrischen Geräten, die im Hochfrequenzbereich arbeiten, geeignet ist. Die Hexaferrit-Zusammensetzung umfasst Barium und/oder Strontium, Molybdän, Cobalt und Eisen und weist eine Z-Typ-Hexaferritphase auf. Das Hexaferrit kann stöchiometrisch oder nicht stöchiometrisch sein. Mit Substitutionen von Barium, Strontium und Molybdän, wie hierin beschrieben, ist es möglich, magnetodielektrische Hexaferrit-Zusammensetzungen von abstimmbarer Permeabilität und Permittivität und niedrigen dielektrischen und magnetischen Verlusten über Hochfrequenzbereiche zu schaffen. Die Hexaferrit-Zusammensetzungen können auch für die Massenproduktion von Geräten, wie Mikrowellenantennensubstrate und in Spintronik-Anwendungen, wie Riesenmagnetowiderstands(GMR)-Geräte, kostengünstig sein. Die Erfindung betrifft auch Verfahren zur Herstellung der Hexaferrit-Zusammensetzung und Gegenstände, Geräte oder Teile, die die Hexaferrit-Zusammensetzung umfassen.

Es folgen weitere Aspekte des Verfahrens und Systems, nämlich:

  • 1. Eine Hexaferrit-Zusammensetzung, umfassend Eisen, Cobalt, eines oder beides von Barium und Strontium, und Molybdän, wobei die Ferritzusammensetzung eine Z-Typ-Hexaferritphase mit der Formel (BazSr(3-z))Co(2+x)MoxFe(y-2x)O41 umfasst,
    wobei x = 0,01 bis 0,20;
    y = 20 bis 24; und
    z = 0 bis 3.
  • 2. Die Hexaferrit-Zusammensetzung von Punkt 1, wobei x = 0,08 bis 0,15.
  • 3. Die Hexaferrit-Zusammensetzung nach einem der Punkte 1–2, wobei x = 0,10 bis 0,12.
  • 4. Die Hexaferrit-Zusammensetzung nach einem der Punkte 1–3, wobei die Hexaferrit-Zusammensetzung eine reelle Permeabilität von mindestens 3,0 über einen Frequenzbereich von 0,1 bis 3,0 GHz aufweist.
  • 5. Die Hexaferrit-Zusammensetzung nach einem der Punkte 1–4, wobei die Hexaferrit-Zusammensetzung eine reelle Permeabilität von mindestens 7,0 über einen Frequenzbereich von 0,1 bis 3,0 GHz aufweist.
  • 6. Die Hexaferrit-Zusammensetzung nach einem der Punkte 1–5, wobei die Hexaferrit-Zusammensetzung eine reelle Permeabilität im Bereich von 7,0 bis 12,0 über einen Frequenzbereich von 0,1 bis 3,0 GHz aufweist.
  • 7. Die Hexaferrit-Zusammensetzung nach einem der Punkte 1–6, wobei z = 1,2 bis 3,0, und die Hexaferrit-Zusammensetzung eine reelle Permeabilität im Bereich von 8,0 bis 12,0 über einen Frequenzbereich von etwa 0,1 GHz bis mindestens 1.0 GHz aufweist.
  • 8. Die Hexaferrit-Zusammensetzung nach einem der Punkte 1–7, wobei z = 0 bis 0,5, und die Hexaferrit-Zusammensetzung eine reelle Permeabilität im Bereich von 2,0 bis 4,0 über einen Frequenzbereich von etwa 0,1 GHz bis etwa 3,0 GHz aufweist.
  • 9. Die Hexaferrit-Zusammensetzung nach einem der Punkte 1–8, wobei die Hexaferrit-Zusammensetzung eine reelle Permittivität von mindestens 6,0 über einen Frequenzbereich von 0,1 bis 3,0 GHz aufweist.
  • 10. Die Hexaferrit-Zusammensetzung nach einem der Punkte 1–9, wobei die Hexaferrit-Zusammensetzung eine reelle Permittivität von mindestens 8,0 über einen Frequenzbereich von 0,1 bis 3,0 GHz aufweist.
  • 11. Die Hexaferrit-Zusammensetzung nach einem der Punkte 1–10, wobei die Hexaferrit-Zusammensetzung eine reelle Permittivität im Bereich von 6,0 bis 18,0 über einen Frequenzbereich von 0,1 bis 10,0 GHz aufweist.
  • 12. Die Hexaferrit-Zusammensetzung nach einem der Punkte 1–11, wobei eine reelle Permittivität der Hexaferrit-Zusammensetzung innerhalb von 10 % gleich einer reellen Permeabilität der Hexaferrit-Zusammensetzung ist.
  • 13. Die Hexaferrit-Zusammensetzung nach einem der Punkte 1–12, wobei die Hexaferrit-Zusammensetzung eine charakteristische Impedanz aufweist, die innerhalb von 3 % mit einer Impedanz des Vakuums übereinstimmt.
  • 14. Die Hexaferrit-Zusammensetzung nach einem der Punkte 1–13, wobei die Hexaferrit-Zusammensetzung eine dielektrische Verlusttangente tanδε von weniger als 0,02 bei einer Frequenz von 0,1 bis 0,8 GHz aufweist.
  • 15. Die Hexaferrit-Zusammensetzung nach einem der Punkte 1–14, wobei die Hexaferrit-Zusammensetzung eine dielektrische Verlusttangente tanδε von weniger als 0,16 bei einer Frequenz von 0,1 bis 1,0 GHz aufweist.
  • 16. Die Hexaferrit-Zusammensetzung nach einem der Punkte 1–15 wobei die Hexaferrit-Zusammensetzung eine magnetische Verlusttangente tanδµ von ungefähr 0,1 bei 0,4 GHz aufweist.
  • 17. Die Hexaferrit-Zusammensetzung nach einem der Punkte 1–16, wobei die Hexaferrit-Zusammensetzung eine magnetische Verlusttangente tanδµ von weniger als 0,3 bei einer Frequenz von 0,1 bis 0,8 GHz aufweist.
  • 18. Die Hexaferrit-Zusammensetzung nach einem der Punkte 1–17, wobei die Hexaferrit-Zusammensetzung eine magnetische Verlusttangente tanδµ von weniger als 0,95 bei einer Frequenz von 0,1 bis 3,5 GHz aufweist.
  • 19. Die Hexaferrit-Zusammensetzung nach einem der Punkte 1–18, wobei die Hexaferrit-Zusammensetzung eine magnetische Verlusttangente tanδµ im Bereich von 0,1 bis 1,0 über einen Frequenzbereich von 0,1 bis 1,0 GHz aufweist.
  • 20, Die Hexaferrit-Zusammensetzung nach einem der Punkte 1–19, wobei die Hexaferrit-Zusammensetzung einen dielektrischen Verlustfaktor tanδε/ε' von weniger als 0,001 bei einer Frequenz von 0,8 GHz aufweist.
  • 21. Die Hexaferrit-Zusammensetzung nach einem der Punkte 1–20, wobei die Hexaferrit-Zusammensetzung einen magnetischen Verlustfaktor tanδµ/µ' von weniger als 0,03 bei einer Frequenz von 0,8 GHz aufweist.
  • 22. Ein Gegenstand umfassend die Hexaferrit-Zusammensetzung nach einem der Punkte 1–21.
  • 23. Der Gegenstand von Punkt 22, wobei der Gegenstand eine Antenne, ein Filter, eine Spule, Zirkulator oder Phasenschieber ist.
  • 24. Der Gegenstand nach einem der Punkte 22–23, wobei der Gegenstand eine Mikrowellenantenne ist
  • 25. Der Gegenstand von Punkt 24, wobei der Gegenstand eine Antenne ist, die bei einer Frequenz von gleich oder größer als 0,1 GHz funktionsfähig ist.
  • 26. Der Gegenstand nach einem der Punkte 24–25, wobei der Gegenstand eine Antenne ist, die bei einer Frequenz von gleich oder größer als 0,3 GHz funktionsfähig ist.
  • 27. Der Gegenstand von Punkt 24, wobei der Gegenstand eine Antenne ist, die bei 0,1 bis 1,5 GHz funktionsfähig ist.
  • 28. Der Gegenstand nach einem der Punkte 24 und 27, wobei der Gegenstand eine Antenne ist, die bei 0,3 bis 1,0 GHz funktionsfähig ist.
  • 29. Der Gegenstand nach einem der Punkte 22–28, weiterhin umfassend eine zweite Hexaferrit-Zusammensetzung, umfassend eine Z-Typ-Hexaferritphase mit der Formel (BazSr(3-z))Co(2+x)MoxFe(y-2x)O41wobei x = 0,01 bis 0,20;
    y = 20 bis 24; und
    z = 0 bis 3; und
    wobei sich die Menge an Ba und die Menge an Sr in der Hexaferrit-Zusammensetzung und der zweiten Hexaferrit-Zusammensetzung unterscheiden.
  • 30. Der Gegenstand von Punkt 29, wobei eine Grenzfrequenz der zweiten Hexaferrit-Zusammensetzung höher ist als eine Grenzfrequenz der Hexaferrit-Zusammensetzung.
  • 31. Der Gegenstand nach einem der Punkte 29–30, wobei die Hexaferrit-Zusammensetzung eine reelle Permeabilität im Bereich von 8,0 bis 12,0 über einen Frequenzbereich von etwa 0,1 GHz bis mindestens 1,0 GHz aufweist, und die zweite Hexaferrit-Zusammensetzung eine reelle Permeabilität im Bereich von 2,0 bis 4,0 über einen Frequenzbereich von etwa 0,1 GHz bis etwa 3,0 GHz aufweist.
  • 32. Der Gegenstand von Punkt 22, wobei der Gegenstand ein Riesenmagnetowiderstandsgerät oder ein Riesentunnelmagnetowiderstandsgerät ist.
  • 33. Ein Verfahren zur Herstellung einer Hexaferrit-Zusammensetzung, umfassend:
    (a) Bereitstellen von Hexaferritphasen-Vorläuferverbindungen, umfassend Fe, Ba, Co, und Mo,
    (b) Calcinieren der Hexaferritphasen-Vorläuferverbindungen an Luft unter Bildung eines Materials, umfassend eine Z-Typ-Hexaferritphase.
  • 34. Das Verfahren von Punkt 33, wobei die Hexaferritphasen-Vorläuferverbindungen Oxide von Fe, Ba, Co, und Mo umfassen.
  • 35. Das Verfahren nach einem der Punkte 33–34, wobei die Hexaferritphasen-Vorläuferverbindungen MoO2, BaCO3, Co3O4, und Fe2O3 umfassen.
  • 36. Das Verfahren nach einem der Punkte 33–35, wobei die Hexaferritphasen-Vorläuferverbindungen 0 bis 0,96 Gew.-% MoO2, 22,10 bis 22,18 Gew.-% BaCO3, 6,02 bis 6,59 Gew.-% Co3O4, und 70,35 bis 71,8 Gew.-% Fe2O3 umfassen.
  • 37. Das Verfahren nach einem der Punkte 33–36, wobei die Vorläuferverbindungen in Schritt (b) bei 1000 bis 1300 °C calciniert werden.
  • 38. Das Verfahren nach einem der Punkte 33–37, weiterhin folgendes umfassend:
    (c) Zerkleinern des in Schritt (b) gebildeten Materials unter Bildung eines Pulvergemischs, und
    (d) Sintern des Pulvergemischs.
  • 39. Das Verfahren von Punkt 38, wobei das Pulvergemisch bei 1200 bis 1280 °C gesintert wird.
  • 40, Das Verfahren nach einem der Punkte 38–39, wobei das Pulvergemisch 4 bis 20 Stunden gesintert wird.
  • 41. Das Verfahren nach einem der Punkte 38–40, wobei das Pulvergemisch in einer Sauerstoffatmosphäre gesintert wird.
  • 42. Das Verfahren nach einem der Punkte 38–41, weiterhin umfassend das Formen des Pulvergemischs zu einem Pressling vor Schritt (d).
  • 43. Das Verfahren nach einem der Punkte 38–42, weiterhin umfassend das Hinzufügen eines Bindemittels zu dem Pulvergemisch.
  • 44. Das Verfahren von Punkt 43, wobei das Bindemittel ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus einem Polyvinylalkohol, Methylcellulose, Polyethylenglycol und Poly(alkylencarbonat).
  • 45. Das Verfahren nach einem der Punkte 43–44, wobei das Bindemittel Polyvinylalkohol ist, umfassend 8 bis 12 Gew.-% des Pulvergemischs.
  • 46. Das Verfahren nach einem der Punkte 38–45, weiterhin folgendes umfassend:
    (e) Zerkleinern des in Schritt (d) gebildeten Materials unter Bildung eines Pulvergemischs; und
    (f) Tempern des in Schritt (e) gebildeten Pulvergemischs.
  • 47. Das Verfahren von Punkt 46, wobei das Pulvergemisch bei 800 bis 1000 °C getempert wird.
  • 48. Das Verfahren nach einem der Punkte 46–47, wobei das Pulvergemisch 9 bis 20 Stunden getempert wird.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung wird durch die folgende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den Begleitzeichnungen besser verstanden. Es zeigen:

1A eine graphische Darstellung der Frequenzabhängigkeit des reellen Teils der Permeabilität von Mo-Co2Z;

1B eine graphische Darstellung der Frequenzabhängigkeit des imaginären Teils der Permeabilität von Mo-Co2Z;

2A eine graphische Darstellung der Frequenzabhängigkeit der magnetischen Verlusttangente der Permeabilität von Mo-Co2Z-Hexaferriten bei 0 bis 10 GHz;

2B eine graphische Darstellung der Frequenzabhängigkeit der magnetischen Verlusttangente der Permeabilität von Mo-Co2Z-Hexaferriten bei 0 bis 1 GHz;

3A eine graphische Darstellung der Variation der Permeabilität und der magnetischen Verlusttangente mit einem Mo-Gehalt bei f = 0,3 GHz für Mo-Co2Z-Hexaferrite;

3B eine graphische Darstellung der Variation der Permeabilität und der magnetischen Verlusttangente mit einem Mo-Gehalt bei f = 0,8 GHz für Mo-Co2Z-Hexaferrite;

4A eine graphische Darstellung der Frequenzabhängigkeit der reellen Permittivität für
Mo-Co2Z-Hexaferrit bei 0 bis 10 GHz;

4B eine graphische Darstellung der Frequenzabhängigkeit der reellen Permittivität für
Mo-Co2Z-Hexaferrit bei 0 bis 1 GHz;

5A eine graphische Darstellung der Frequenzabhängigkeit der dielektrischen Verlusttangente für Co2Z-Hexaferrit bei 0 bis 10 GHz;

5B eine graphische Darstellung der Frequenzabhängigkeit der dielektrischen Verlusttangente für Mo-Co2Z-Hexaferrit bei 0,0 bis 1,0 GHz;

6 eine graphische Darstellung der Variation der Permittivität und der dielektrischen Verlusttangente mit einem Mo-Gehalt bei 0,8 GHz für Mo-Co2Z-Hexaferrit;

7A eine graphische Darstellung der Frequenzabhängigkeit von Permeabilität, Permittivität und magnetischer und dielektrischer Verlusttangente für Mo-Co2Z-Hexaferrit ZM5, wobei x = 0,10;

7B eine graphische Darstellung der Frequenzabhängigkeit von Permeabilität, Permittivität und magnetischer und dielektrischer Verlusttangente für Mo-Co2Z-Hexaferrit ZM6, wobei x = 0,12;

8 eine graphische Darstellung der Frequenzabhängigkeit von Permeabilität, Permittivität und magnetischer und dielektrischer Verlusttangente für die Mo-Co2Z-Hexaferrite ZM5, wobei x = 0,10, und ZM6, wobei x = 0,12;

9 eine Reihe von SEM, die die Oberflächenmorphologie von Mo-Co2Z-Hexaferrit-Proben mit unterschiedlichen Mo-Gehalten veranschaulichen;

10 eine graphische Darstellung der Frequenzabhängigkeit der magnetischen Permeabilität für Hexaferrit-Proben der ZSF-Reihe;

11A eine graphische Darstellung der Frequenzabhängigkeit der magnetischen Permeabilität und des magnetischen Verlusts für die Probe ZSF 1;

11B eine SEM-Darstellung der Probe ZSFl;

12A eine graphische Darstellung der Frequenzabhängigkeit der magnetischen Permeabilität und des magnetischen Verlusts für die Probe ZSF2;

12B eine SEM-Darstellung der Probe ZSF2;

13A eine graphische Darstellung der Frequenzabhängigkeit der magnetischen Permeabilität und des magnetischen Verlusts für die Probe ZSF3;

13B eine SEM-Darstellung der Probe ZSF3;

14A eine graphische Darstellung der Frequenzabhängigkeit der magnetischen Permeabilität und des magnetischen Verlusts für die Probe ZSF4;

14B eine SEM der Probe ZSF4;

15 eine graphische Darstellung der dielektrischen Spektren bei 0,1 bis 10,0 GHz für die Proben ZSF1 bis ZSF4;

16 eine graphische Darstellung der Frequenzabhängigkeit der magnetischen Permeabilität für Mo-dotierte SrCo2Z-Hexaferrite;

17 eine graphische Darstellung der Frequenzabhängigkeit der magnetischen Verlusttangente für Mo-dotierte SrCo2Z-Hexaferrite;

18 eine graphische Darstellung der Variation der Permeabilität und der magnetischen Verlusttangente mit einem Mo-Gehalt bei f = 1,0 GHz für Mo-dotierte SrCo2Z-Hexaferrite;

19 eine graphische Darstellung der Frequenzabhängigkeit der Permittivität für Mo-dotierte SrCo2Z-Hexaferrite;

20 eine graphische Darstellung der Frequenzabhängigkeit der dielektrischen Verlusttangente für Mo-dotierte SrCo2Z-Hexaferrite;

21 eine graphische Darstellung der Variation der Permittivität und der dielektrischen Verlusttangente für den Mo-Gehalt bei 1,0 GHz für Mo-dotierte SrCo2Z-Hexaferrite;

22A ein schematisches Kristallstruktur-Schaubild eines M-Typ-Hexaferrits;

22B ein schematisches Kristallstruktur-Schaubild eines Z-Typ-Hexaferrits; und

22C ein schematisches Kristallstruktur-Schaubild eines Y-Typ-Hexaferrits.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Co2Z-Typ-Hexaferrit-Zusammensetzung, in der die magnetischen und dielektrischen Verluste durch die Verwendung von Molybdän (Mo) kontrolliert werden können, während hohe Permeabilität und/oder niedrige Permittivität beibehalten werden. Die Zusammensetzung umfasst die Substitution von Eisen (Fe) durch Mo in Co2Z-Typ-Hexaferriten. Molybdän kann den magnetischen Verlust erfolgreich verringern und die Permeabilität sowohl in stöchiometrischen als auch nicht stöchiometrischen Strontium-, Barium- oder Strontium-Barium-Hexaferriten vom Z-Typ vergrößern. In einigen Ausführungsformen kann MoO2 zur Verringerung magnetischer Verluste in Ba3Co2Fe24O41-Hexaferriten (hierin als BaCo2Z-Hexaferrite bezeichnet) und in anderen Ausführungsformen in Sr3Co2Fe24O41-Hexaferriten (hierin als SrCo2Z-Hexaferrite bezeichnet) eingesetzt werden. In einigen Ausführungsformen kann MoO2 zur Verringerung magnetischer Verluste in Co2Z-Hexaferriten eingesetzt werden, die sowohl Ba als auch Sr und/oder nicht stöchiometrische Mengen an Fe umfassen.

Allgemeiner ausgedrückt, sind hexagonale Ferrite, oder Hexaferrite, eine Art von Eisenoxid-Keramikverbindung, die eine hexagonale Kristallstruktur aufweist und magnetische Eigenschaften zeigt. Es sind mehrere Typen oder Familien von Hexaferriten bekannt, darunter die Z-Typ-Ferrite Ba3Me2Fe24O41, wobei Me ein kleines 2+ Kation sein kann, wie Co, Ni oder Zn. Ba kann durch Sr substituiert werden. Weitere Hexaferrit-Typen umfassen M-Typ-Hexaferrite ((Ba,Sr)Fe12O19), W-Typ-Hexaferrite ((Ba,Sr)Me2Fe16O27), Y-Typ-Hexaferrite ((Ba,Sr)2Me2Fe12O22), X-Typ-Hexaferrite ((Ba,Sr)2Me2Fe28O46) und V-Typ-Hexaferrite ((Ba,Sr)4Me2Fe36O60)).

Cobalt-substituierte Barium-(Co2Z)-Hexaferrite vom Z-Typ können hohe ferromagnetische Resonanzfrequenzen und Permeabilitäten zeigen, wenn auch der Bau von Hochfrequenzgeräten, die eine relative Permeabilität µ und relative Permittivität ε mit einem gleichen oder im Wesentlichen gleichen Wert sowie niedrige magnetische und dielektrische Verlusttangenten (tanδµ, tanδε) und Verlustfaktoren (tanδ/µ, tanδε/ε) aufweisen, bisher sehr schwierig war. (Wie hierin verwendet, sind die Permeabilitätsund Permittivitätswerte die relative Permeabilität bzw. die relative Permittivität.) Schematische Kristallstruktur-Schaubilder von M-Typ-Phasen-, Y-Typ-Phasen- und Z-Typ-Phasen-Hexaferriten sind in 16A16C veranschaulicht. Die Hexaferritverbindungen werden aus R-, S- und T-Schichten oder aus kleineren Modifikationen dieser Schichten hergestellt. Einige Eigenschaften der Y-Typ- und Z-Typ-Hexaferrite sind in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1: Einige Eigenschaften von Y-Typ- und Z-Typ-Hexaferriten

Co2YCo2ZFormelBa2Co2Fe12O22Ba3Co2Fe24O41Stapelordnung(TS)3RSTSR*S*T*S*C(Å)43,5652,304πMS·G23003360μi3–417HA(kOe)2813K1 + K2–2,6–1,8fr·(GHz)31–2Tc340410ρ(g/cm3)5,45,35

Die vorliegende Hexaferrit-Zusammensetzung ist zum Betrieb in Hochfrequenz-Anwendungen und insbesondere Ultrahochfrequenz(UHF)- und Mikrowellen-Anwendungen und Geräten geeignet, wie Antennen, Filter, Spulen und Zirkulatoren, die in den Ultrahoch- und Mikrowellen-Frequenzbereichen funktionsfähig sind. Der Ultrahochfrequenz(UHF)-Bereich beträgt 0,3 GHz bis 3 GHz. Der Mikrowellen-Frequenzbereich beträgt 0,3 GHz bis 300 GHz. Die Hexaferrit-Zusammensetzung ist auch zur Verwendung in Spintronik-Anwendungen geeignet, wie Riesenmagnetowiderstands(GMR)-Geräte. Die vorliegende Hexaferrit-Zusammensetzung enthält Fe, Co, Mo, und eines oder beides von Ba und Sr, und weist eine Hexaferritphase vom Z-Typ auf. Die Hexaferrit-Zusammensetzung weist die Formel (BazSr(3-z))Co(2+x)MoxFe(y-2x)O41 auf,wobei x = 0,01 bis 0,20;
y = 20 bis 24; und
z = 0 bis 3.

In einigen Ausführungsformen gilt: x = 0,08 bis 0,15. In anderen Ausführungsformen gilt: x = 0,10 bis 0,12.

In einigen Ausführungsformen zeigt die Zusammensetzung bei hohen Frequenzen hohe reelle Permeabilität µ':
Permeabilität bei f = 0,1 bis 1 GHz: µ' > 8;
Permeabilität bei f = 0,1 bis 0,8 GHz: µ' > 10.

Hinzu kommt, dass die Zusammensetzung in einigen Ausführungsformen hohe, gleiche oder im Wesentlichen gleiche Werte von ε' und µ' (von ungefähr 8 bis 9) bei f = 0,1 bis 1 GHz aufweist. Die Zusammensetzung zeigt geringe magnetische und dielektrische Verluste und Verlustfaktoren:
Verlust bei f = 0,1 bis 0,8 GHz: tanδµ < 0,3 und tanδε < 0,01;
Verlustfaktor bei f = 0,8 GHz: tanδµ/µ' < 0,03 und tanε/ε' < 0,001.

In einigen Ausführungsformen ist eine Hexaferrit-Zusammensetzung ein Mo-dotierter BaCo2Z-Hexaferrit, mit 1,2 < z < 3. In einigen Ausführungsformen ist eine Hexaferrit-Zusammensetzung ein Mo-dotierter BaCo2Z-Hexaferrit, mit z = 3. In einigen Ausführungsformen können Mo-dotierte BaCo2Z-Hexaferrite eine reelle Permeabilität im Bereich von 8,0 bis 12,0 bei Frequenzen von etwa 0,1 GHz bis etwa 1,0 GHz aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann das Material eine magnetische Verlusttangente im Bereich von 0,08 bis 0,15 bei f = 0,3 GHz und eine magnetische Verlusttangente im Bereich von 0,3 bis 0,75 bei f = 0,8 GHz bei einem Mo-Gehalt von 0,08 < x < 0,15 aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann das Material eine reelle Permittivität im Bereich von 8 bis 13 über einen Bereich von f = 0,1 bis 10,0 GHz bei einem Mo-Gehalt von 0,01 < x < 0,20 aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann die dielektrische Verlusttangente für einen Mo-Gehalt vom 0,01 < x < 0,12 weniger als 0,02 bei f = 0,1 bis 10,0 GHz betragen.

Ein Mo-dotierter BaCo2Z-Hexaferrit kann für Anwendungen wie Mikrowellenantennen verwendet werden. Das Material kann in Verbindung mit einem zweiten Hexaferrit verwendet werden, der über einen unterschiedlichen Frequenzbereich funktionsfähig ist, zum Beispiel ein höherer Frequenzbereich, um ein einzelnes Gerät mit einem größeren Betriebsfrequenzbereich bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen kann der zweite Hexaferrit ein Mo-dotierter SrCo2Z-Hexaferrit sein.

In einigen Ausführungsformen ist eine Hexaferrit-Zusammensetzung ein Mo-dotierter SrCo2Z-Hexaferrit, mit 0,0 < z < 0,5. In einigen Ausführungsformen ist eine Hexaferrit-Zusammensetzung ein Mo-dotierter SrCo2Z-Hexaferrit, mit z = 0,0. In einigen Ausführungsformen können Mo-dotierte SrCo2Z-Hexaferrite eine reelle Permeabilität im Bereich von 2,0 bis 4,0 über einen Frequenzbereich von etwa 0,1 GHz bis etwa 3,0 GHz aufweisen. In einigen Ausführungsformen können Mo-dotierte SrCo2Z-Hexaferrite eine reelle Permeabilität im Bereich von 2,7 bis 4,1, bei f = 0,1 bis 1,0 GHz, aufweisen. In einigen Ausführungsformen ist die reelle Permeabilität größer als 3,6 bei f = 1,0 GHz und einem Mo-Gehalt von 0,08 < x < 0,12. In einigen Ausführungsformen kann das Material eine magnetische Verlusttangente im Bereich von 0,08 bis 0,3 bei f = 0,1 bis 1,0 GHz aufweisen. In einigen Ausführungsformen ist die magnetische Verlusttangente geringer als 0,25, bei f = 1,0 GHz und einem Mo-Gehalt von 0,08 < x < 0,12. In einigen Ausführungsformen kann das Material eine reelle Permittivität im Bereich von 12 bis 18 über einen Bereich von f = 0,1 bis 10,0 GHz bei einem Mo-Gehalt von 0,01 < x < 0,20 aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann die dielektrische Verlusttangente geringer sein als 0,03, bei f = 1,0 GHz, für einen Mo-Gehalt von 0,08 < x < 0,12.

Ein Mo-dotierter SrCo2Z-Hexaferrit kann für Anwendungen wie Mikrowellen-Antennen verwendet werden. Das Material kann in Verbindung mit einem zweiten Hexaferrit verwendet werden, der über einen unterschiedlichen Frequenzbereich funktionsfähig ist, zum Beispiel einen geringeren Frequenzbereich, um ein einzelnes Gerät mit einem größeren Betriebsfrequenzbereich bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen kann der zweite Hexaferrit ein Mo-dotierter BaCo2Z sein.

In einigen Ausführungsformen ist eine Hexaferrit-Zusammensetzung ein Mo-dotierter Co2Z-Hexaferrit mit Sr und Ba, mit z = 1,5. In einigen Ausführungsformen kann eine Mo-dotierte Hexaferrit-Zusammensetzung mit Sr und Ba eine reelle Permeabilität im Bereich von 7,5 bis 9,0 bei f = 0,8 bis 1,0 GHz aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann eine Mo-dotierte Hexaferrit-Zusammensetzung mit Sr und Ba eine magnetische Verlusttangente im Bereich von 0,7 bis 0,2, bei f = 0,8 bis 1,0 GHz, aufweisen.

In einigen Ausführungsformen kann eine Mo-dotierte Hexaferrit-Zusammensetzung mit Sr und Ba eine reelle Permittivität im Bereich von 6,6 bis 8,7, bei f = 0,8 bis 1,0 GHz, aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann eine Mo-dotierte Hexaferrit-Zusammensetzung mit Sr und Ba eine dielektrische Verlusttangente im Bereich von 0,0019 bis 0,0028, bei f = 0,8 bis 1,0 GHz, aufweisen.

In einigen Ausführungsformen weist die Mo-dotierte Hexaferrit-Zusammensetzung eine reelle Permeabilität µ' im Bereich von etwa 2,0 bis etwa 12,0 auf, bei Frequenzen von etwa 0,1 GHz bis etwa 3 GHz oder größer. In einigen Ausführungsformen, bei Frequenzen im Bereich von 0,1 GHz bis mindestens 3,0 GHz und in einigen Ausführungsformen bei höheren Frequenzen, beträgt die reelle Permeabilität mindestens 3,0, mindestens 5,0, mindestens 7,0, mindestens 8,0, mindestens 9,0, mindestens 10,0, mindestens 11,0 oder mindestens 12,0.

In einigen Ausführungsformen weist die Hexaferrit-Zusammensetzung eine reelle Permittivität ε' im Bereich von etwa 6,0 bis etwa 18,0 bei Frequenzen von etwa 0,1 GHz bis etwa 10 GHz auf. In einigen Ausführungsformen, bei Frequenzen im Bereich von 0,1 GHz bis mindestens 3,0 GHz und in einigen Ausführungsformen bei höheren Frequenzen, beträgt die reelle Permittivität mindestens 6,0, mindestens 7,0, mindestens 8,0, mindestens 9,0, mindestens 10,0, mindestens 11,0, mindestens 12,0, mindestens 13,0, mindestens 14,0, mindestens 15,0, mindestens 16,0 oder mindestens 17,0.

In einigen Ausführungsformen ist die reelle Permittivität ε' innerhalb von 10 % gleich einer reellen Permeabilität µ' der Hexaferrit-Zusammensetzung. In anderen Ausführungsformen können die reelle Permittivität und die reelle Permeabilität innerhalb von 15 %, innerhalb von 5 %, innerhalb von 2 % oder innerhalb von 1 % gleich sein. Die Hexaferrit-Zusammensetzung kann eine charakteristische Impedanz aufweisen, die innerhalb von 3 % mit einer Impedanz des Vakuums übereinstimmen. In anderen Ausführungsformen kann die charakteristische Impedanz innerhalb von 5 %, innerhalb von 2 % oder innerhalb von 1 % mit der Impedanz des Vakuums übereinstimmen.

In einigen Ausführungsformen reicht die magnetische Verlusttangente tanδµ bei Frequenzen von weniger als etwa 3,0 GHz von weniger als 0,1 bis etwa 1,0. In einigen Ausführungsformen beträgt die magnetische Verlusttangente bei Frequenzen von weniger als etwa 0,4 GHz weniger als 0,3 oder weniger als 0,1. In einigen Ausführungsformen beträgt die magnetische Verlusttangente bei Frequenzen von weniger als etwa 0,8 GHz weniger als 0,75, weniger als 0,5 oder weniger als 0,3. In einigen Ausführungsformen beträgt die magnetische Verlusttangente bei Frequenzen von weniger als etwa 1,0 GHz weniger als 0,95, weniger als 0,6 oder weniger als 0,3. In einigen Ausführungsformen beträgt die magnetische Verlusttangente bei Frequenzen von weniger als etwa 3,0 GHz weniger als 2,4 oder weniger als 0,9.

In einigen Ausführungsformen weist die Hexaferrit-Zusammensetzung eine magnetische Verlusttangente tanδµ von ungefähr 0,1 bei 0,4 GHz auf. In einigen Ausführungsformen weist die Hexaferrit-Zusammensetzung eine magnetische Verlusttangente tanδµ von weniger als 0,3 bei einer Frequenz von 0,1 bis 0,8 GHz auf. In einigen Ausführungsformen weist die Hexaferrit-Zusammensetzung eine magnetische Verlusttangente tanδµ von weniger als 0,95 bei einer Frequenz von 0,1 bis 3,5 GHz auf. In einigen Ausführungsformen weist die Hexaferrit-Zusammensetzung eine magnetische Verlusttangente tanδµ im Bereich von 0,1 bis 1,0 über einen Frequenzbereich von 0,1 bis 1,0 GHz auf.

In einigen Ausführungsformen reicht die dielektrische Verlusttangente tanδε von weniger als 0,01 bis 0,16, bei Frequenzen von weniger als etwa 1,0 GHz und in anderen Ausführungsformen bei Frequenzen von weniger als etwa 10,0 GHz. Bei Frequenzen von weniger als etwa 0,4 GHz beträgt die dielektrische Verlusttangente in einigen Ausführungsformen weniger als 0,09, in anderen Ausführungsformen weniger als 0,12 oder in wieder anderen Ausführungsformen weniger als 0,02. Bei Frequenzen von weniger als etwa 1,0 GHz beträgt die dielektrische Verlusttangente in einigen Ausführungsformen weniger als 0,10, in anderen Ausführungsformen weniger als 0,08 oder in wieder anderen Ausführungsformen weniger als 0,02. Bei Frequenzen von weniger als etwa 3,0 GHz beträgt die dielektrische Verlusttangente in einigen Ausführungsformen weniger als 0,07.

In einigen Ausführungsformen weist die Hexaferrit-Zusammensetzung eine dielektrische Verlusttangente tanδε von weniger als 0,02 bei einer Frequenz von 0,1 bis 0,8 GHz auf. In einigen Ausführungsformen weist die Hexaferrit-Zusammensetzung eine dielektrische Verlusttangente tanδε von weniger als 0,16 bei einer Frequenz von 0,1 bis 1,0 GHz auf.

Die Hexaferrit-Zusammensetzung weist innerhalb des Hochfrequenzbereichs einen niedrigen dielektrischen Verlustfaktor und magnetischen Verlustfaktor auf. In einigen Ausführungsformen weist die Hexaferrit-Zusammensetzung bei einer Frequenz von 0,8 GHz einen dielektrischen Verlustfaktor tanδε/ε′ von weniger als 0,001 und einen magnetischen Verlustfaktor tanδµ/μ′ von weniger als 0,03 auf.

Die Hexaferrit-Zusammensetzung kann auf jede geeignete Weise hergestellt werden. In einer Ausführungsform kann die Hexaferrit-Zusammensetzung durch Bereitstellen von Hexaferritphasen-Vorläuferverbindungen hergestellt werden. Geeignete Vorläuferverbindungen können zum Beispiel Oxide oder Carbonate von Mo, Ba und/oder Sr, Co, und Fe sein. Die Vorläuferverbindungen werden auf kleine Teilchengrößen gemahlen und vermischt und dann an Luft unter Bildung eines Materials calciniert, das eine Hexaferritphase vom Z-Typ umfasst. Das Mahlen der Materialien auf eine kleine Größe und Langzeitmischen ergeben kleinere Teilchengrößen, die das Absenken der Temperaturen und Energien unterstützen können, die zur Bildung der Hexaferritphasen erforderlich sind. Die Teilchengrößen können durch aufeinanderfolgende Runden von Mahlen, Mischen und Sintern vermindert werden, wobei nach jeder Stufe zur Sicherstellung der Verminderung der Teilchengröße ausgesiebt wird. Die zur Verminderung der Teilchengröße auf einen geeigneten Bereich erforderliche Zeit ist eine Funktion von Pulver-zu-Kugel-Masseverhältnis, Kugel- und Zylindermaterial und verwendetem Lösungsmittel (sofern vorhanden). Eine geeignete Teilchengröße reicht von 0,1 µm bis 100 µm, wobei Mikrometer im Zehnerbereich für dem effektiven Durchmesser typisch sind. Das nach dem Calcinieren resultierende Material kann unter Bildung eines Pulvergemischs gemahlen werden, das gepresst und gesintert werden kann, um einen dichten massiven Körper zu bilden. Das resultierende Material kann in einem Sauerstoffgasstrom gemahlen und getempert werden, um die Phasen-Sauerstoffstöchiometrie zu verbessern, was auch die magnetischen Eigenschaften verbessern würde.

In einigen Ausführungsformen ist ein Gemisch von MoO2, BaCO3, SrCO3, CO3O4, und Fe2O3 vorgesehen. Die Mengen können anteilig vermischt werden, was durch die gewünschte nominale Stöchiometrie bestimmt wird. In einigen Ausführungsformen können die Mengen 0 bis 0,96 Gew.-% MoO2, 22,10 bis 22,18 Gew.-% BaCO3, 6,02 bis 6,59 Gew.-% CO3O4, und 70,35 bis 71,8 Gew.-% Fe2O3 betragen.

Die Materialien können mit einem Lösungsmittel vermischt und in einer Kugelmühle oder einer anderen geeigneten Mischvorrichtung gemahlen werden, wie, ohne Einschränkung, ein Walzenmischer, eine Rüttelmühle oder eine Planetenmühle, wobei eine Vielzahl von Kugel- und Zylindermaterialien verwendet wird. In einer Ausführungsform werden die Materialien in einem Achatglas bei 400 UpM 3 Stunden unter Verwendung einer 4-Stationen-Planeten-Kugelmühle vermischt. Die Materialien werden in nominalen Verhältnissen von Oxiden und Carbonaten zu Mischkugeln zu Lösungsmittel vermischt: 1:(1–2):(1–2) Gew.-%. Das Lösungsmittel kann zum Beispiel und ohne Einschränkung Wasser sein, darunter destilliertes Wasser oder deionisiertes Wasser, Toluol oder ein Alkohol, darunter zum Beispiel und ohne Einschränkung Ethylalkohol oder ein analysereiner Alkohol (der in einigen Ausführungsformen 90 % Ethylalkohol, 5 % Methylalkohol und 5 % Isopropylalkohol ist). In einigen Ausführungsformen braucht kein Lösungsmittel verwendet werden.

Das resultierende Gemisch kann bei 200 bis 300 °C für 3 bis 10 Stunden in einem Umluftofen getrocknet und dann zu einer geeigneten Form verpresst werden, um seine Dichte zu erhöhen. In einer Ausführungsform kann das Material uniaxial zu einer 1-in.-Scheibe bei 0,1 bis 0,3 t/cm2 in einem Matrizensatz verpresst werden. Höhere Drücke können in Abhängigkeit der eingesetzten Presse verwendet werden. Der Druck kann gewählt werden, um nach dem Sintern eine geeignete Verdichtung zu erzielen. Typischerweise ist eine Verdichtung über 90 % nach dem Sintern geeignet.

Die Materialien können an Luft unter Bildung der Z-Typ-Hexaferritphase calciniert werden. In einigen Ausführungsformen können die Materialien bei 1000 bis 1300 °C calciniert werden. In einigen Ausführungsformen kann das folgende Calcinierungstemperaturprofil verwendet werden:

  • 1) Starten bei einer Umgebungstemperatur (z.B. ~20 °C), Hochfahren auf 1200 °C ± 100 °C über einen Zeitraum von 240 Minuten ± 60 Minuten;
  • 2) Verweilen bei 1200 °C ± 100 °C für einen Zeitraum von 300 Minuten ± 60 Minuten;
  • 3) Abkühlen lassen des Ofens auf Umgebungstemperatur, zum Beispiel über einen Zeitraum von 240 Minuten ± 60 Minuten.

Die resultierenden calcinierten Ferrite können zerkleinert und durch ein Sieb Nr. 40 gesiebt werden, um die Teilchen der Größe nach zu trennen. Die kleineren Teilchen und ein Lösungsmittel (z.B. Alkohol oder Wasser, wie zuvor beschrieben) können gemahlen werden, zum Beispiel in einer Kugelmühle, und getrocknet werden. Das resultierende Pulvergemisch kann unter Zugabe eines Bindemittels, um das Aufrechterhalten der Presslingsform zu unterstützen, zu einem Pressling verpresst werden. In einigen Ausführungsformen kann Polyvinylalkohol im Bereich von 8 bis 12 Gew.-% des Pulvergemischs als Bindemittel verwendet werden. Weitere geeignete Bindemittel umfassen Methylcellulose, Polyethylenglycol oder Poly(alkylencarbonat). Das Bindemittel zieht während des anschließenden Sinterns ab.

Der Pressling kann in einem Ofen, wie einem Röhrenofen, für eine geeignete Zeit bei einer geeigneten Temperatur gesintert werden. In einigen Ausführungsformen kann der Pressling bei 1200 bis 1280 °C gesintert werden. In einigen Ausführungsformen kann der Pressling 4 bis 20 Stunden gesintert werden. Der Pressling kann in einer Sauerstoffatmosphäre in einem Röhrenofen gesintert werden, um die Abnahme des dielektrischen Verlusts zu unterstützen. Zum Beispiel kann O2-Gas bei dem Verfahren durchwegs bei einer Geschwindigkeit von 0,5 bis 2,0 l/min strömen. In einigen Ausführungsformen kann das folgende Sintertemperaturprofil eingesetzt werden:

  • 1) Starten bei einer Umgebungstemperatur (z.B. ~20 °C), Hochfahren auf 800 °C ± 100 °C über einen Zeitraum von 180 Minuten ± 60 Minuten;
  • 2) Hochfahren auf 1200 °C ± 100 °C über einen Zeitraum von 180 Minuten ± 60 Minuten;
  • 3) Verweilen bei 1200 °C ± 100 °C für einen Zeitraum von 240 Minuten ± 60 Minuten;
  • 4) Abkühlen lassen des Ofens auf Umgebungstemperatur, zum Beispiel über einen Zeitraum von 480 Minuten ± 60 Minuten.

Die gesinterten Hexaferrite können zerkleinert, durch ein Sieb Nr. 100 gesiebt, mit einem Lösungsmittel (wie vorstehend beschrieben) gemahlen und getrocknet werden. Das resultierende Pulver kann in einem O2-Gasstrom getempert werden. In einigen Ausführungsformen kann das resultierende Pulver bei 800 bis 1000 °C getempert werden. In einigen Ausführungsformen kann das folgende Tempertemperaturprofil mit einem O2-Gasstrom bei 0,2 bis 2,0 l/min während des gesamten Temperverfahrens verwendet werden:

  • 1) Starten bei einer Umgebungstemperatur (z.B. ~20 °C), Hochfahren auf 400 °C ± 100 °C über einen Zeitraum von 80 Minuten ± 10 Minuten;
  • 2) Hochfahren auf 900 °C ± 100 °C über einen Zeitraum von 200 Minuten ± 100 Minuten;
  • 3) Verweilen bei 900 °C ± 100 °C für einen Zeitraum von 240 Minuten ± 100 Minuten;
  • 4) Abkühlen lassen des Ofens auf Umgebungstemperatur, zum Beispiel über einen Zeitraum von 360 Minuten ± 100 Minuten.

In anderen Ausführungsformen kann das Pulvergemisch vor den hier beschriebenen Sinterschritten durch Mechanismen wie Foliengießen oder Additiv-Herstellung geformt werden.

Die Permeabilität, Permittivität und Resonanzfrequenz der hierin beschriebenen Co2Z-Hexaferrite können durch Substitution mit Mo-, Sr- und Ba-Ionen angepasst werden. Diese Mo-dotierten Co2Z-Hexaferrite sind demnach wünschenswerte Kandidaten für magnetodielektrische Mikrowellensubstratmaterialien, die bei 0,3–10 GHz arbeiten. Die Zusammensetzungen können über eine hohe Betriebsfrequenz (0,1 bis 1 GHz und größer) eine hohe Permeabilität (µ' > 8) aufweisen. Gleiche oder im Wesentlichen gleiche Werte von Permeabilität und Permittivität können, sowohl bei µ' als auch ε', von größer als 7 oder, in einigen Ausführungsformen, größer als 8 bei f = 0,8 GHz erzielt werden, was zu übereinstimmender Impedanz führt. Die Zusammensetzungen können niedrige magnetische und dielektrische Verlustfaktoren aufweisen, zum Beispiel von tanδµ/µ' = 0,03 und tanδε/ε' = 0,001, bei f = 0,8 GHz. Die Materialkosten sind im Vergleich mit zum Beispiel Ir-dotierten Hexaferriten gering.

Die Hexaferrit-Zusammensetzung kann für eine Vielzahl von Geräten verwendet werden, die innerhalb des Hochfrequenzbereichs funktionsfähig sind, wie eine Ultrahochfrequenz- oder Mikrowellen-Antenne, ein Filter, eine Spule, ein Zirkulator oder ein Phasenschieber. In einigen Ausführungsformen kann das Gerät bei Frequenzen von größer als 0,1 GHz funktionsfähig sein, in einigen Ausführungsformen bei Frequenzen von größer als 0,3 GHz und in einigen Ausführungsformen bei Frequenzen von größer als 0,5 GHz. In einigen Ausführungsformen kann das Gerät bei Frequenzen bis zu 1,0 GHz, bis zu 1,5 GHz, bis zu 3,0 GHz oder bis zu 10,0 GHz funktionsfähig sein. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsformen das Gerät über einen Frequenzbereich von 0,1 bis 1,5 GHz funktionsfähig sein. In einigen Ausführungsformen kann das Gerät über einen Frequenzbereich von 0,3 bis 1,0 GHz funktionsfähig sein. In einigen Ausführungsformen kann das Gerät über einen Frequenzbereich von 0,3 bis 0,5 GHz funktionsfähig sein. In einigen Ausführungsformen kann das Gerät über einen Frequenzbereich von 0,5 bis 1,0 GHz funktionsfähig sein.

In einigen Geräten können zwei oder mehr Hexaferrit-Zusammensetzungen eingesetzt werden, wobei die Hexaferrit-Zusammensetzungen unterschiedliche Grenzfrequenzen aufweisen, um einen Betrieb über einen größeren Frequenzbereich vorzusehen. Zum Beispiel kann ein Antennengerät einen Mo-dotierten BaCo2Z-Hexaferrit verwenden, der über einen niedrigeren Frequenzbereich, wie 0,1 bis 0,5 GHz, funktionsfähig ist, und einen Mo-dotierten SrCo2Z-Hexaferrit, der über einen höheren Frequenzbereich, wie größer als 0,5 bis 1,5 GHz, funktionsfähig ist.

Solche Geräte können in gewerblichen und militärischen Anwendungen, Wetterradar, wissenschaftlichen Kommunikationen, mobilen und drahtlosen Kommunikationen, Fahrzeugen, Flugzeugkommunikationen, Weltraumkommunikationen, Satellitenkommunikationen, und zur Überwachung verwendet werden.

Die Hexaferrit-Zusammensetzung kann in Spintronik-Anwendungen verwendet werden, wie Riesenmagnetowiderstands(GMR)-Geräte und Riesentunnelmagnetowiderstands(TMR)-Geräte, die zum Beispiel in Laufwerk-Leseköpfen und anderen Datenspeicher- und Speichergeräten und in magnetischen Sensoren eingesetzt werden. Weitere Spintronik-Anwendungen umfassen Halbleitergeräte, wie Spin-Transistoren und Spin-Lichtemittierende Dioden.

Beispiel 1:

Polykristalline Co2Z-Hexaferrite mit der Zusammensetzung Ba3Co2+xMoxFe24-2xO41, wobei x = 0, 0,01, 0,02, 0,05, 0,08, 0,10, 0,12, 0,15 und 0,20, wurden durch ein zweistufiges Keramikverfahren hergestellt. Ausgangsmaterialen von BaCO3, MoO2, CO3O4, und Fe2O3 wurden an Luft 6 Stunden bei 1000 °C calciniert und dann zerkleinert und kugelgemahlen. Das Gemisch, umfassend 90 Vol.-% feines Ferritpulver und 10 Vol.-% Polyvinylalkohol(PVA)-Bindemittel, wurde zu einem Toroid mit einem Außendurchmesser von 7 mm, einem Innendurchmesser von 3 mm, und einer Breite von etwa 2 mm verpresst. Diese Probengröße ist für Mikrowellenmessungen gut geeignet. Da eine Sauerstoffatmosphäre die Minderung des dielektrischen Verlusts unterstützen kann, wurden die Hexaferrit-Proben bei 1200 bis 1280 °C 4 bis 20 Stunden in Sauerstoff als letzter Verfahrensschritt gesintert. (Ein Temperschritt, der typischerweise zur Entwicklung der Sauerstoff-Stöchiometrie verwendet wird, wurde auf Grund des langen 20-stündigen Wärmebehandlungsschritts nicht verwendet.) Acht Proben, die mit einem entsprechenden Kennungscode ZM0 bis ZM8 aufgelistet sind, entsprechen der Inklusion von Mo in den Co2Z-Hexaferriten, wie nachstehend aufgelistet. Tabelle 2: Probencodes von Ba3Co2+xMoxFe24-2xO41-Hexaferriten

Mo(x) 0 0,01 0,02 0,05 0,08 0,10 0,12 0,15 0,20Code ZM0 ZM1 ZM2 ZM3 ZM4 ZM5 ZM6 ZM7 ZM8

Die kristallografische Struktur wurde durch Röntgenbeugungsmessungen (XRD, Philips X'pert PRO) bei Raumtemperatur in einer θ-2θ-Geometrie unter Verwendung von CuKα-Strahlung bestimmt. Die Spektren der komplexen Permittivität und Permeabilität wurden über einen Frequenzbereich vom 0,3–10 GHz unter Verwendung eines Agilent-E864A-45MHz-50GHz-PNA-Serien-Vektor-Netzwerkanalysators (VNA) mit einer 7-mm-HP-85050C-Präzisions-Luftleitung und einem Agilent-Impedanzanalysator (IA) für eine Toroidpobe bei f = 0,05 bis 1,0 GHz gemessen. Die Morphologie wurde durch Scanning-Elektronenmikroskopie (SEM) beobachtet.

Ergebnisse1. Mo-Abhängigkeit der Permeabilitätsspektren für Co2Z-Hexaferrite

Änderungen in der reellen Permeabilität mit variierendem Mo(Mo4+-Ion)-Gehalt (x) von Co2Z-Hexaferrit sind in 1A abgebildet. Diese Figur zeigt, dass mit steigendem Molybdän-Gehalt (x > 0,10) die Permeabilität bei niedriger Frequenz abnimmt. Die Grenzfrequenz (Resonanzfrequenz) nimmt oberhalb von 1,0 GHz zu, wenn x über 0,10 ansteigt, wie in 1B gezeigt.

Die magnetische Verlusttangente beträgt bei f < 0,4 GHz weniger als 0,1 und ist gleich 0,5 bei f = 1,0 GHz für x = 0,12, wie in 2A und 2B gezeigt. Insbesondere ist tanδµ kleiner als 0,3 bei f = .8 GHz für x = 0,12. Die Ergebnisse zeigen eine hohe Permeabilität von 8,5 bis 10.

3A und 3B stellen die Permeabilität und magnetische Verlusttangente als Funktion des Molybdän-Gehalts bei einer niedrigen Frequenz (0,3 GHz) und einer höheren Frequenz (0,8 GHz) dar. Zu beachten ist, dass die reelle Permeabilität bei der niedrigeren Frequenz von f = 0,3 GHz eine Senke zeigt, wenn der Molybdän-Gehalt von x = 0,08 bis 0,15 reicht, was einem Minimum im magnetischen Verlust entspricht. Im Gegensatz dazu steigt, für x = 0,08 bis 0,15, die reelle Permeabilität bei f = 0,8 GHz auf einen Spitzenwert an. Dieser Anstieg in der Permeabilität führt auch zu einer signifikanten Abnahme des magnetischen Verlusts, der denjenigen entspricht, die bei der niedrigeren Frequenz f = 0,3 GHz festgestellt wurden. Somit zeigt der magnetische Verlust extrem niedrige Werte, wenn x im Bereich von 0,08 bis 0,15 liegt, und zwar sowohl bei der niedrigeren als auch der höheren Frequenz.

2. Mo-Abhängigkeit von Permittivitätsspektren von der Frequenz für Co2Z-Hexaferrite

Die reelle Permittivität kann mit Gehalt an Molybdän über einen Frequenzbereich von 0,1 bis 10,0 GHz so abgestimmt werden, dass sie von ε' = ~7,5 bis > 12 reicht, wie in 4A gezeigt. Die Probe ZM6, mit dem geringsten magnetischen Verlust, zeigt eine kleine Permittivität von ~8, wie in 4B gezeigt.

Bei den Proben ZM5 (x = 0,10) und ZM6 (x = 0,12) blieb die dielektrische Verlusttangente über einen breiten Frequenzbereich von f = 0,1 bis 10,0 GHz sehr niedrig, < 0,02, wie in 5A gezeigt. Insbesondere lag die dielektrische Verlusttangente für die Proben ZM5 und ZM6 unter 0,01 für Frequenzen unterhalb von 1,0 GHz, wie in 5B gezeigt.

Für x > 0,05 nimmt die dielektrische Verlusttangente mit dem Molybdän-Gehalt bei f = 0,8 GHz ab, wie in 6 gezeigt. Bei x = 0,10 bis 0,12 wurde der geringste dielektrische Verlust gemessen, tanδε: < 0,01 bei f = 0,8.

3. Proben mit hoher Permeabilität und geringen magnetischen und dielektrischen Verlusten bei f = 0,1–1 GHz

Die Frequenzabhängigkeit der Permeabilität, Permittivität und magnetischen und dielektrischen Verlusttangente der Proben ZM5 und ZM6 ist in 7A und 7B abgebildet. Bei f < 0,5 GHz beträgt die magnetische Verlusttangente weniger als 0,15, während die Permeabilität so hoch ist wie 10 bis 11. Die geringste magnetische Verlusttangente beträgt weniger als 0,27, bei f = 0,8 GHz, für Probe ZM6.

Übereinstimmende Impedanzen können bezüglich gleicher oder im Wesentlichen gleicher Permeabilität und Permittivität (ε' = 9 (oder 8), µ' = 10) erhalten werden.

4. Messung magnetischer Spektren durch Impedanzanalysator

Die magnetischen Spektren der Proben ZM5 und ZM6 wurden durch den Impedanzanalysator über einen Frequenzbereich von 0,1 bis 1 GHz, wie in 8 gezeigt, gemessen. Die Ergebnisse befinden sich in guter Übereinstimmung mit den durch den VNA gemessenen, der eine Permeabilität von 8 bis 11 und eine magnetische Verlusttangente von weniger als 0,3 bei 0,8 GHz angibt.

Tabelle 3 listet die durch VNA und IA gemessenen Hauptparameter auf und gibt einen Messfehler von weniger als 1 % bei 0,8 GHz an. Tabelle 3: µ' und tanδµ der Proben ZM5 und ZM6 bei verschiedenen Frequenzen

ProbeMessungµ'tanδµZM5IA10,20,37VNA10,30,36ZM6IA8,80,30VNA9,20,29

5. SEM-Morphologie

9 zeigt die SEM-Morphologie des Mo-dotierten Co2Z-Hexaferrits, wobei eine isotrope Kornorientierung und gleichmäßige Verteilung von Körnern, die scheinbar in Plättchenform eines hohen Aspektverhältnisses von 8–5:1 vorliegen, angegeben ist. Es wird geschätzt, dass die durchschnittliche Korngröße um 60 bis 80 µm entlang der Langachsen beträgt.

6. Vergleich der Permeabilität, Permittivität, Verlusttangente und Korngröße mit existierenden magnetodielektrische Materialien

Tabelle 4 zeigt einen Vergleich von ε', µ', tanδε und tanδµ für Mo-dotierte und Ir-dotierte Co2Z-Hexaferrite bei 0,8 GHz mit existierenden Ir-dotierten Co2Z-Hexaferriten. Die Mo-dotierten Co2Z-Hexaferrite sind die Proben ZM5 und ZM6.

Die Mo-dotierten Co2Z-Hexaferrite zeigen eine um 25 bis 37 % verbesserte Permeabilität im Vergleich zu derjenigen von Ir-dotierten Co2Z-Hexaferriten. Auch lassen die Mo-dotierten Co2Z-Hexaferrite eine viel niedrigere dielektrische Verlusttangenten << 0,01) erkennen, wohingegen Ir-dotierter Co2Z-Hexaferrit eine dielektrische Verlusttangente von 0,07 bei 0,8 GHz aufweist. Die Mo-dotierten Co2Z-Hexaferrite zeigen eine magnetische Verlusttangente von 0,36, die nahe an derjenigen von Ir-dotiertem Co2Z-Hexaferrit liegt, 0,25 bis 0,30 bei 0,8 GHz. Tabelle 4: Vergleich von ε', µ', tanδε und tanδµ für Mo-dotierte und Ir-dotierte Co2Z-Hexaferrite bei 0,8 GHz

0.8 GHzµ'tanδµε'tanδεKorngröße (µm)Mo_Zm510,30,369,360,007–0,0160–80Mo_Zm69,2–10,20,27–0,298,640,0460–80Ir_Co2Z7,440,25–0,308,140,07200

Kurz gesagt wurden polykristalline Hexaferrit-Zusammensetzungen der nominalen Zusammensetzung Ba3Co2+xMoxFe24-2xO41, wobei x = 0 bis 0,20, durch Keramikverfahren hergestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass Mo-dotierte Co2Z polykristalline Hexaferrite Permeabilitäten, Permittivitäten und magnetische und dielektrische Verluste aufweisen, die über einen breiten Frequenzbereich von 0,1 bis 5,0 GHz besser sind als diejenigen von existierenden Ir-dotierten Co2Z-Hexaferriten. Die gemessenen dielektrischen und magnetischen Mikrowellen-Eigenschaften zeigten, dass der Verlust tanδε und Verlust tanδµ mit der Zugabe von Molybdän, jeweils mit x = 0,10 bis 0,15, um 75 % und 60 % bei 0,8 GHz vermindert wurde, wohingegen die Permeabilität bei 0,8 GHz auf 10,1 erhöht wurde, eine Steigerung um 25 % im Vergleich zu den Ir-dotierten Co2Z-Hexaferriten. Zusätzlich zeigen die Mo-dotierten Co2Z-Hexaferrite über den Frequenzbereich von 0,1 bis 1,0 GHz auch einen im Wesentlichen gleichen Wert von reeller Permittivität und Permeabilität (8 bis 9), um die charakteristische Impedanz an die Vakuum-Impedanz anzugleichen. Die Mo-dotierten Co2Z-Hexaferrite führen nämlich unter den vorstehend aufgeführten nicht nur zu den geringsten Verlustfaktoren (tanδε/ε' < 0,00075 und tanδµ/µ' < 0,029), sondern weisen auch geringe Materialkosten auf. Die Materialkosten von Mo-dotiertem Co2Z-Hexaferrit können ein Drittel derjenigen von Ir-dotiertem Co2Z-Hexaferrit betragen. Diese Eigenschaften machen diese Hexaferrite für Anwendungen in Mikrowellengeräten bei Ultrahochfrequenz (UHF), wie Miniaturantennen geeignet.

Beispiel 2

Polykristalline-Hexaferrite mit einer nicht stöchiometrischen Zusammensetzung mit der Formel (BazSr(3-z))Co(2+x)MoxFe(y-2x)O41 wurden hergestellt. Tabelle 5 listet die nicht stöchiometrischen Formeln für mehrere Proben, die hergestellt und getestet wurden, auf. Tabelle 5: Formelaufbau (nicht stöchiometrisch Formel)

CodeFormelMo-Gehalt, xZSF1Ba3Co(2+x)Fe(21.6-2x)MoxO41x = 0,12ZSF2Ba3Co(2+x)Fe(22.4-2x)MoxO41x = 0,12ZSF3Ba1.5Sr1.5Co(2+x)Fe(21.6-2x)MoxO41x = 0,12ZSF4Ba1.5Sr1.5Co(2+x)Fe(22.4-2x)MoxO41x = 0,12

Das Herstellungsverfahren beginnt mit dem folgenden Rohmaterialien und ihrer Reinheit: BaCO3 (99.95 %), SrCO3 (99.95 %), CO3O4 (99.7 %), MoO2 (99 %), und Fe2O3 (99.95 %). Das Verhältnis wurde jeweils so gewählt, dass es mit der angestrebten nominalen Zusammensetzungen einherging. Zum Beispiel können die Hexaferritphasen-Vorläuferverbindungen 0 bis 0,96 Gew.-% MoO2, 22,10–22,18 Gew.-% BaCO3, 6,02–6,59 Gew.-% CO3O4, und 70,35–71,8 Gew.-% Fe2O3 umfassen. Die Materialien wurden mit analysereinem Alkohol als Lösungsmittel vermischt und in einem Achatglas und Kugelmischer bei 400 UpM für 3 bis 10 Stunden unter Verwendung einer 4-Stationen-Planten-Kugelmühle gemahlen. Das Gemisch wurde bei 200 bis 300 °C für 3 bis 10 Stunden in einem Umluftofen getrocknet und in einem Matrizensatz zu einer 1-in.-Scheibe bei 0,1 bis 0,3 T/cm2 verpresst. Die Scheibe wurde an Luft unter Bildung der Z-Typ-Hexaferritphase gemäß dem folgenden Temperaturprofil calciniert: 1) Aufheizen über 240 Minuten auf 1200 °C; 2) Verweilen für 300 Minuten bei 1200 °C; 3) Abkühlen über 240 Minuten auf 20 °C.

Das Material wurde dann zerkleinert und durch ein Sieb # 40 gesiebt. Die kleineren Teilchen, die das Sieb passierten, wurden mit einem analysereinen Alkohol-Lösungsmittel 4 bis 20 Stunden bei 400 UpM in einem Achatglas unter Verwendung einer 4-Stationen-Planeten-Kugelmühle gemahlen. Das Gemisch wurde bei 200 bis 300 °C 3 bis 10 Stunden in einem Umluftofen getrocknet und bei 0,5 bis 2,0 t/cm2 zu einer 1-in.-Scheibe verpresst. Die Scheibe wurde gemäß dem folgenden Temperaturprofil gesintert: 1) Aufheizen über 180 Minuten auf 800 °C mit O2-Gas bei einer Fließgeschwindigkeit von 0,7 l/min; 2) Aufheizen über 180 Minuten auf 1200 °C; 3) Verweilen für 240 Minuten bei 1200 °C; 4) Abkühlen über 480 Minuten auf 20 °C im O2-Gasstrom.

Das gesinterte Material wurde dann zerkleinert und über ein Sieb # 100 gesiebt. Das zerkleinerte Material, das das Sieb passierte, wurde mit einem analysereinen Alkohol-Lösungsmittel 4 bis 20 Stunden bei 400 UpM in einem Achatglas unter Verwendung einer 4-Stationen-Planeten-Kugelmühle gemahlen. Das resultierende Pulver wurde 3 bis 10 Stunden bei 200 bis 300 °C in einem Umluftofen getrocknet. Das Pulver wurde gemäß dem folgenden Temperaturprofil, wobei die ganze Zeit O2-Gas strömte, getempert: 1) Aufheizen über 80 Minuten auf 400 °C; 2) Aufheizen über 200 Minuten auf 900 °C; 3) Verweilen für 240 Minuten bei 900 °C; 4) Abkühlen über 360 Minuten auf 20 °C.

10 veranschaulicht die magnetische Permeabilität vs. Frequenz für diese ZSF-Reihe von Hexaferritproben. Die Permeabilität µ' lag um 8 für SrBa-Co2Z-Hexaferrit (Proben ZSF3 und ZSF4) bzw. um 7 für Ba-Co2Z-Hexaferrit (Proben ZSF1 und ZSF2), bei Frequenzen von weniger als 1,0 GHz. Die Inklusion von Sr verbesserte die Permeabilität signifikant. Die magnetische Verlusttangente blieb mit einem Wert von 0,03 bis 0,1 über einen Frequenzbereich von 0,1 bis 1,0 GHz niedrig. Die Mo-SrBa-Hexaferrite (ZSF3 und ZSF4) hatten eine hohe Grenzfrequenz (fr) sowie Permeabilität.

11A veranschaulicht die magnetische Permeabilität und den Verlust vs. Frequenz für die Probe ZSF1. 11B ist ein SEM-Bild der Probe ZSF1. Die Permeabilität lag um 7, während die magnetische Verlusttangente mit einem Wert von 0,01 bis 0,10 bis zu einer Frequenz von 1,0 GHz gering blieb.

12A veranschaulicht die magnetische Permeabilität und den Verlust vs. Frequenz für die Probe ZSF2. 12B ist ein SEM-Bild der Probe ZSF2. Die Permeabilität lag um 7,5, während die magnetische Verlusttangente mit einem Wert von 0,01 bis 0,09 bis zu einer Frequenz von 1,0 GHz gering blieb.

13A veranschaulicht die magnetische Permeabilität und den Verlust vs. Frequenz für die Probe ZSF3. 13B ist ein SEM-Bild der Probe ZSF3. Die Permeabilität lag um 8, während die magnetische Verlusttangente mit einem Wert von 0,03 bis 0,09 bis zu einer Frequenz von 1,0 GHz gering blieb.

14A veranschaulicht die magnetische Permeabilität und den Verlust vs. Frequenz für die Probe ZSF4. Die Permeabilität lag um 8, während die magnetische Verlusttangente mit einem Wert von 0,03 bis 0,09 bis zu einer Frequenz von 1,0 GHz gering blieb.

15 veranschaulicht die dielektrischen Spektren bei 0,1 bis 10,0 GHz für die Proben ZSF1 bis ZSF4. Der Dielektrizitätskonstantenbereich war 6,5 bis 9,0, während die dielektrische Verlusttangente über einen Frequenzbereich von 0,1 bis 10,0 GHz für alle Proben der ZSF-Reihe 0,001 bis 0,01 betrug.

Tabelle 6 stellt eine Zusammenfassung der Ergebnisse von reeller Permittivität, reeller Permeabilität, Verlusttangente, tanδε, und Verlusttangente, tanδµ für die vier Proben bei zwei unterschiedlichen Frequenzen, 0,8 GHz und 1,0 GHz, dar. Tabelle 6: Zusammenfassung der Proben der ZSF-Reihe

f(GHz)ε'tanδεµ'tanδµfr(GHz)D(µm)ZSF10,87,240,00197,630,07952,103–5 (großkörnig: 15–20)1,07,240,00258,100,11ZSF20,86,600,00207,850,0802,054–6 (großkörnig: 15–20)1,06,600,002478,370,118ZSF30,88,250,00218,610,0692,376–8 (großkörnig: 15+)1,08,250,00279,000,091ZSF40,88,670,00238,510,0712,406 (großkörnig: 15–20), einheitlich1,08,670,00288,880,091

Die beste Probe war ZSF4. Sie zeigte eine hohe Permeabilität, ε' = 8,67, und niedrige Verlusttangente, tanδµ = 0,091, bei 1,0 GHz, und eine hohe Grenzfrequenz, fr = 2,40 GHz.

Beispiel 3

Polykristalline Co2Z-Hexaferrite mit der Zusammensetzung Sr3Co2+xMoxFe24-2xO41, wobei x = 0, 0,02, 0,05, 0,08, 0,10, 0,12, 0,15 und 0,20, wurden durch das in Beispiel 1, vorstehend, beschriebene zweistufige Keramikverfahren unter Verwendung von SrCO3, MoO2, CO3O4, und Fe2O3 als Ausgangsmaterialien hergestellt.

Ergebnisse1. Magnetische Permeabilitätsspektren und magnetischer Verlust

Die Permeabilitätsspektren wurden bei Frequenzen von 0,1 bis 10,0 GHz gemessen. Die Permeabilität zeigt mit einem Mo-Gehalt bei niedriger Frequenz (0,1 GHz) eine Abnahme von 3,8 bis 3,3, außer für einen Mo-Gehalt von x = 0,10, wie in 16 zu sehen. Der Mo-Gehalt lässt eine Verschiebung des Verlusttangenten-Peaks zu höheren Frequenzen von über 5,0 GHz erkennen, wie in 17 zu sehen. Der Mo-Gehalt x = 0,10 ergibt bei dem Frequenzbereich von 0,4 bis 1,5 GHz eine minimale Verlusttangente, ebenfalls in 17 zu sehen. D.h. die Verlusttangente für x = 0,20 beträgt ~0,1 bei 0,4 GHz und 0,4 bei 1,5 GHz, was unter den Mo-dotierten SrCo2Z-Ferriten der geringste Verlust ist.

18 veranschaulicht die Ergebnisse von Permeabilität und magnetischer Verlusttangente für die Mo-dotierten SrCo2Z-Hexaferrite, gemessen bei 1,0 GHz. Es ist zu sehen, dass die Probe mit einem Mo-Gehalt von x = 0,10 eine Zunahme in der Permeabilität von 15 % und eine Abnahme im magnetischen Verlust von 15 % zeigt. Diese Ergebnisse entsprechen den bei BaCo2Z-Hexaferriten gemessenen Ergebnissen. Es wird festgestellt, dass eine optimierte Mo-Konzentration in SrCo2Z-Hexaferrit mit derjenigen von BaCo2Z-Hexaferriten vergleichbar ist.

2. Permittivitätsspektren und dielektrischer Verlust

Grundsätzlich ist die Permittivität SrCo2Z-Hexaferriten proportional zum Mo-Gehalt und nimmt für x = 0,02 etwas ab, wie in 19 zu sehen ist. Die dielektrische Verlusttangente steigt mit steigendem Mo-Gehalt (x = 0 bis 0,20) von 0,03 bis 0,08, wie in 20 zu sehen ist.

21 beschreibt die Permittivität und den dielektrischen Verlust, gemessen bei 1,0 GHz, und zeigt eine Senke des dielektrischen Verlusts bei x = 0,10.

3. Magnetischer und dielektrischer Verlust

Der geringste magnetische und dielektrische Verlust in Mo-dotierten SrCo2Z-Hexaferriten zeigte sich bei einem Mo-Gehalt von x = 0,10. Bei diesem Mo-Gehalt, bei f = 1,0 GHz gilt:
µ' = 3,7
tanδµ = 0,24
ε' = 14,2; und
tanδε = 0,03.

Kurz gesagt kann MoO2 zweckmäßigerweise verwendet werden, um den magnetischen Verlust in SrCo2Z-Hexaferriten zu verringern.

Wie hierin verwendet, erlaubt "bestehend im Wesentlichen aus" die Inklusion von Materialien oder Schritten, die die grundlegenden und neuen Merkmale des Anspruchs materiell nicht beeinträchtigen. Jede Wiedergabe hierin des Begriffs "umfassend“ kann insbesondere in einer Beschreibung der Komponenten einer Zusammensetzung oder in einer Beschreibung von Elementen eines Geräts ersetzt werden durch "bestehend im Wesentlichen aus" oder "bestehend aus".

Es ist ersichtlich, dass die verschiedenen Merkmale der Ausführungsformen, die hierin beschrieben sind, in einer Vielzahl von Wegen kombiniert werden können. Zum Beispiel kann ein in Verbindung mit einer Ausführungsform beschriebenes Merkmal in einer anderen Ausführungsform mitumfasst sein, auch wenn es bei dieser Ausführungsform nicht explizit beschrieben wird.

Die vorliegende Erfindung wurde in Verbindung mit bestimmten bevorzugten Ausführungsformen beschrieben. Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die genauen Einzelheiten von Aufbau, Betrieb, genaue Materialien oder Ausführungsformen, die gezeigt und beschrieben sind, beschränkt ist und dass einem Fachmann verschiedene Modifikationen, Substitutionen von Äquivalenten, Änderungen an den Zusammensetzungen und andere Änderungen an den hierin offenbarten Ausführungsformen geläufig sind.

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität gemäß 35 § 119(e) der US. Provisionalanmeldung Nr. 62/110,025, eingereicht am 30. Januar 2015, mit dem Titel "Low Cost, Low Loss and High Permeability Mo-Co2Z Ferrites For UHF, L-Band and S-Band Applications“, deren Offenbarung hiermit durch Bezugnahme mitumfasst ist.