شکل 10 خواص مغناطیسی- دی الکتریک یک کامپوزیت اپوکسی با 50 % حجمی پودر فریت با فرمول شیمیایی را نشان می دهد. این پودر فریتی ابتدا از پیش ماده‌ی مربوطه تولید می شود و سپس بوسیله‌ی فلاکس در دمای و زمان 2 ساعت، عمل آوری می شود. در این فرایند عمل آوری، نسبت وزنی پودر فریت به 1 به 2 می باشد. پودر فریت دارای دانه های با شکل منظم و اندازه‌ی متوسط برابر با 5 میکرون می باشد. این کامپوزیت دارای نفوذپذیری مغناطیسی و ثابت دی الکتریک بسیار نزدیکی است. در این گستره‌ی فرکانس، این کامپوزیت ها دارای تانژانت اتلاف پایینی هستند اما تانژانت اتلاف دی الکتریک آنها بالاست. تانژانت اتلاف دی الکتریک بالای آنها به دلیل تانژانت اتلاف بالای زمینه‌ی اپوکسی، بوجود می آید. علاوه بر این، باند فرکانس تانژانت اتلاف مغناطیسی می تواند با استفاده از فریت های اسپینلی به میزان بیش از 30 MHz نیز برسد. برای آدرس دهی این مشکلات، این ضروری است تا از سرامیک های فریتی استفاده کنیم.
سرامیک های فریتی
فریت های منیزیم ، دارای ساختار نوع اسپینلی و به صورت مکعبی هستند. ثابت شبکه در این مواد برابر با 83998/0a=است و از گروه فضاییFd3m می باشند. این ماده یک مغناطیس نرم از نوع نیمه رسانای نوع n می باشد. این ماده همچنین دارای مقاومت بالا و اتلاف مغناطیسی و دی الکتریک پایین است. فریت های مغناطیسی و مشتقات آنها به طور گسترده در تکنولوژی میکروویو مورد استفاده قرار می گیرند.
سرامیک های خالص دارای نفوذپذیری مغناطیسی و ثابت دی الکتریک 6 هستند و دارای تانژانت های اتلاف مغناطیسی و دی الکتریک پایینی هستند (در گستره‌ی فرکانس 2-30 MHz). سرامیک های در دمای زینتر می شوند و دارای چگالی هستند. این مقدار از دانسیته، 65% دانسیته‌ی تئوری است. این مسئله می تواند به خاطر این حقیقت اتفاق افتد که سرامیک های دارای قابلیت زینترشوندگی پایینی هستند. برای کاربردهای واقعی، مواد با خاصیت زینترشوندگی پایین، ممکن است از مشکلات مربوط به استحکام مکانیکی رنج ببرند. سرامیک های با دانسیته‌ی تقریبا کامل، از جنس باید در دماهای بالاتر از زینتر شوند. به هرحال، زینترینگ در دمای بالا، می تواند منجر به ایجاد تانژانت اتلاف بالادر سرامیک های فریتی شود. علت این مسئله، عمدتا تشکیل می باشد. این موجب افزایش اتلاف رسانایی و از این رو، افزایش تانژانت اتلاف دی الکتریک می شود. بنابراین، برای توسعه‌ی سرامیک های فریتی دارای تانژانت اتلاف پایین، این ضروری است که قابلیت زینترینگ آن را بهبود داد. استفاده از کمک ذوب ها یکی از متداول ترین راه ها برای بهبود رفتار زینترشوندگی مواد مختلف می باشد. انواع مختلف از کمک زینترها، در مقالات مختلف مورد استفاده قرار گرفته اند . CuO و
دو کمک ذوب مناسب برای سرامیک های فریتی هستند. CuO در فرمول شیمیایی اسپینل یا فریت های باریومی مشارکت می کند. CuO به تجزیه می شود که این ماده دارای نقطه‌ی ذوب پایینی است. در حضور ، یک فاز مایع غنی از مس ممکن است در دماهای پایین تر از دمای ذوب ایجاد شود. این فاز مایع غنی از مس موجب می شود تا محیط برای زینترینگ ماده، فراهم آید. قادر به وارد شدن به شبکه‌ی فریت های اسپینلی را ندارد. به هر حال، به طور مشابه، به دلیل دمای ذوب پایین این ماده که تقریبا 820 درجه سانتیگراد است، یک لایه‌ی مایع را در طی زینرینگ در دماهای بالا تشکیل می دهد و بنابراین، زینترینگ فاز مایع را تسریع می کند.
رفتار زینترینگ، رشد دانه و خواص مغناطیسی و دی الکتریک سرامیک های به طور سیستماتیک مورد مطالعه قرار گرفته است. این فهمیده شده است که با افزایش میزان مس از 1/0 x= به 3/0x=، دمای آغاز شرینکیج نمونه ها به طور تدریجی، کاهش می یابد. و نرخ شرینکیج ماکزیمم، از دمای به کاهش می یابد. برای مقایسه ای باید گفت، دمای شروع شرینکیج
بالاتر از بود. با استفاده از این روش، امکان دسترسی به چگالی برابر با 95 % چگالی تئوری امکان پذیر است، اما چگالی نسبی سرامیک های بعد از زینترینگ در دمای به مدت 2 ساعت، تنها به مقدار 94 % می رسد. به طور نمونه وار، دماهای زینترینگ
تقریبا 200 درجه زیر دمای زینترینگ می باشد .
سرامیک های همچنین دارای ریزساختار متفاوتی نسبت به سرامیک های MgFe1.98O4 هستند. رفتار زینترشوندگی ضعیف MgFe1.98O4 به احتمال زیاد به خاطر حضور ساختار اسکلتی صلب با نقاط تماس فراوان، ایجاد می شود. این ساختار نیازمند دمای زینترینگ بالاست. استفاده از مس، نه تنها رفتار استحکام بخشی را تغییر می دهد، بلکه همچنین رشد دانه را افزایش می دهد. برای مثال، اندازه‌ی دانه‌ی سرامیک های بعد از زینترینگ در دمای و زمان 2 ساعت، کمتر از 3 میکرومتر است. این مقدار چند برابر کوچکتر از اندازه‌ی دانه‌ی
می باشد.
اندازه‌ی دانه‌ی متوسط سرامیک های با افزایش غلظت مس، به طور یکنواخت، افزایش نمی یابد. در دماهای زینترینگ معین، اندازه‌ی دانه‌ی متوسط در 2/0x=، ماکزیمم می شود. تغییر در اندازه‌ی دانه‌ی سرامیک های همچنین با استفاده از مکانیزم رشد دانه، توجیح می شود. در طی زینترینگ فاز مایع، رشد دانه از طریق فرایند انحلال و رسوب دهی، انجام می شود. از نقطه نظر انرژی،دانه های کوچک تر نسبت به دانه های بزرگتر دارای پایداری کمتری هستند. علت این مسئله، مساحت سطح بالاتر در ذرات ریزتر می باشد. به عنوان یک نتیجه، دانه های کوچک در لایه های مایع، حل می شوند. وقتی غلظت فاز حل شده، به یک سطح بحرانی برسد، رسوب دهی اتفاق می افتد. این بدین معناست که دانه های بزرگتر، رشد می کنندو این رشد با مصرف شدن ذرات کوچک همراه است. همچنین این بدین معناست که ذرات کوچک با عبور از یک سد، به ذرات بزرگ، ملحق می شوند. در غلظت پایین x کمتر 2/0، این فهمیده شده است که یک افزایش در مقدار مس، موجب افزاش در همگرایی دانه ها بوسیله‌ی لایه های فاز مایع می شود و این مسئله در رشد دانه ها، مزیت به شمار می آید. به عنوان یک نتیجه، اندازه‌ی متوسط دانه با افزایش غلظت مس، افزایش می یابد. وقتی غلظت به یک نقطه‌ی بحرانی برسد که در آن تمام دانه ها با فاز مایع پوشانیده شوند، افزایش دیگر در غلظت مس، منجر به افزایش ضخامت لایه های مایع می شود. افزایش در ضخامت لایه های مایع، به معنای افزایش مسیرهای نفوذی می باشد. یعنی زمان بیشتری برای نفوذ دانه های بزرگتر و رسیدن آنها به دانه های کوچک تر، صرف می شود. از این رو، نرخ رشد دانه درنمونه های دارای غلظت مس بحرانی، کمتر از نمونه های دارای غلظت مس زیر حد بحرانی است. به عبارت دیگر، مقدار فاز مایع در زمانی که غلظت به نقطه‌ی بحرانی می رسد 2/0x=، به حالت اشباع در می آید.
خواص الکتریکی سرامیک های فریتی به طور نزدیکی با ریزساختار آنها در ارتباط است. مقاومت جریان مستقیم یکی از مهمترین پارامترها برای سرامیک های فریتی محسوب می شود. عموما، مقاومت بالا برای بیشتر کاربردها، ضروری است. مقاومت های dc سرامیک های فریتی با چندین فاکتور متقابل، اندازه گیری می شود. این فاکتورها عبارتند از ترکیب شیمیایی، چگالی (تخلخل)، اندازه‌ی دانه، بی نقص بودن کریستال، همگن بودن ریزساختار و میزان ناخالصی. حضور تخلخل معمولا موجب افزایش مقاومت dc سرامیک های فریتی می شود. زیرا هوا یا خلا عایق های خوبی هستند اگر، تخلخل ها سر بسته باشند و به طور یکنواخت در ساختار، توزیع شده باشند. درغیر اینصورت، تخلخل می تواند مقاومت سرامیک های فریتی را کاهش دهد. فاکتور دیگری که به طور قابل توجهی موجب کاهش در مقاومت های dc سرامیک های فریتی می شود، تشکیل یون های می باشد. این یون ها بواسطه‌ی انتقال الکترونی میان یون های و تشکیل می شوند. وقتی انتقال الکترون از یون به در داخل مکان های اکتاهدرال، انجام می شود، این مسئله موجب تغییر در سطح انرژی کریستال به عنوان نتیجه ای از انتقال می شود. افت ناگهانی در مقاومت dc بعد از زینترینگ در دمای ، عمدتا به دلیل تشکیل یون های می باشد.
تفاوت در ریزساختار و می تواند برای توضیح تفاوت آنها از لحاظ مقاومت dc مورد استفاده قرار گیرد. دارای تخلخل های مختلفی هستند . دارای ساختار اسکلتی صلب است در حالی که نمونه ی ? دارای دانه های مدور است که به خوبی به هم پک شده اند. تخلخل ها در ایزوله شده اند در الی که تخلخل ها در Mg1-xCuxFe1.98O4 با هم در ارتباطند. در نتیجه، تخلخل ها در به عنوان عایق عمل می کنند ولی در می توانند به عنوان مسیرهای رسانا عمل می کنند که در آنها ناخالصی هایی مانند آب گیر می افتند.
ثابت دی الکتریک بالای کریستال های فریتی عمدتا به دلیل پلاریزاسیون اتمی و الکترونی در دانه های سرامیکی، بوجود می آید. ثابت دی الکتریک سرامیک های فریتی پلی کریستال همچنین بوسیله‌ی ریزساختار، اندازه‌ی دانه، دانسیته و حضور ناخالصی ها، تحت تأثیر قرار می گیرند. وابستگی نفوذپذیری مغناطیسی به اندازه‌ی دانه، بوسیله‌ی اثر ماکسول- واگنر، توصیف می شود. در این جا، سرامیک های فریتی به عنوان دانه های رسانای در نظر گرفته می شوند که بوسیله‌ی لایه های با رسانایی کم تر، از هم جدا شده اند. افزایش در اندازه‌ی دانه موجب کاهش کسر حجمی مرزدانه ها، می شود و بنابراین، موجب افزایش ثابت دی الکتریک می شود. تخلخل (دانسیته) همچنین دارای اثر دوگانه بر روی ثابت دی الکتریک است. تخلخل بسته موجب کاهش ثابت دی الکتریک می شود زیرا ثابت دی الکتریک هوا برابر با 1 است. تخلخل های باز با ناخالصی های جذب شده، ممکن است ثابت دی الکتریک را افزایش دهند، علت این مسئله ثابت دی الکتریک بالای آب است. عیوب ساختاری یا ناقص بودن ساختار، می تواند پلاریزاسیون را افزایش دهد.
حضور در فریت ها، همواره منجر به ایجاد نفوذپذیری مغناطیسی بالا می شود. علت این مسئله، این است که دارای پلاریزاسیون بزرگتری نسبت به است. یون دارای پیکربندی الکترونی لایه‌ی d است و ابر الکترونی آن دارای تقارن کرو ی است، در حالی که دارای الکترون اضافی نسبت به یون است. این مسئله موجب ایجاد عدم تقارن در ابر الکترونی می شود. به عنوان یک نتیجه، حضور موجب افزایش پلاریزاسیون در فریت ها، می شود. از این رو، فریت های دارای تعداد بیشتر ، به احتمال زیاد دارای نفوذپذیری مغناطیسی بالاتری هستند.
تانژانت اتلاف دی الکتریک سرامیک های فریتی پلی کریستال، بوسیله‌ی چندین فاکتور تعیین می شود. برای مثال: ریزساختارها، حضور ناخالصی و نقص شبکه. به هر حال، سهم قابل توجهی از تانژانت اتلاف دی الکتریک از اتلاف رسانایی حاصل می شود. این اتلاف رسانایی از انتقالات الکترونی میان یون های و حاصل شده است (مخصوصا در فرکانس های پایین). در این زمینه، افزایش در ثابت دی الکتریک به دلیل حضور یون های ، عموما نامناسب است زیرا این مسئله همواره با تانژانت اتلاف بسیار بالا همراه است.
به دلیل داشتن خاصیت استحکام بهبود یافته و رشد مناسب دانه ها، همواره دارای ثابت دی الکتریک بالاتر نسبت به است.
یک پرش در ثابت دی الکتریک و تانژانت اتلاف دی الکتریک در نمونه های سنتز شده
و مشاهده می شود. این پرش به ترتیب با افزایش دمای زینترینگ از دمای حدود 1200 به و از 1100 به ، مشاهده شده است. این مسئله به خاطر تشکیل یون های می باشد. ثابت دی الکتریک نسبی تقریبا به طور یکنواخت با افزایش غلظت Cu و دمای زینترینگ، افزایش می یابد. این روند افزایش در ثابت دی الکتریک نسبی به دلیل افزایش در اندازه‌ی دانه و بهبود خواص زینترینگ (به دلیل حضور مس) ایجاد شده است. غلظت بحرانی مس در ثابت دی الکتریک مشاهده نشده است که علت آن اتلاف های حاصله از اثر تخلخل ها می باشد.
این فهمیده شده است که غلظت مس دارای اثر قابل توجهی بر روی خواص مغناطیسی سرامیک های
ندارد. اثر دمای زینترینگ بر روی ثابت دی الکتریک موهومی این فریت ها، به طور مناسب بوسیله‌ی مدل مدار مغناطیسی، توضیح داده می شود. عموما سرامیک های بر پایه‌ی
دارای خواص مغناطیسی-دی الکتریکی مورد تأییدی نیستند، زیرا تانژانت اتلاف آنها نسبتا بالاست. در این مورد، اکسید مس به عنوان کمک زینتر برای سرامیک های فریتی، کافی نیست و به دلیل اهمیت تانژانت اتلاف دی الکتریک، باید توجه خاصی به این مقوله اختصاص داد.
بهبود های دیگر در خواص دی الکتریک و مغناطیسی سرامیک های با وارد کردن Co و تشکیل قابل حصول می باشد. یک مثال جالب توجه از این مواد، در مقدار1/0=yاست. به عنوان یک نتیجه، از افزودن کبالت، مقاومت dc افزایش می یابد. میزان این افزایش به اندازه‌ی یک مرتبه بالاتر از دامنه برای نمونه های زینتر شده در دماهای پایین می باشد (1050 و ). این مسئله به دلیل این حقیقت اتفاق می افتد که حضور کبالت موجب تغییر در مکانیزم رسانایی سرامیک های فریتی می شود. با جایگزینی کبالت در فریت ها، رسانش نوع pایجاد می شود.این رسانش از طریق انتقال حفره میان Co(2+) و انجام می شود. در یک دمای زینترینگ معین، ثابت دی الکتریک کاهش می یابد (تقریبا بدون تغییر با افزایش غلظت Co).
آنیزوتروپی مگنتوکریستالی بیشتر فریت های اسپینلی مقدار منفی و کوچک است. یون های Co در آنیزوتروپی مگنتوکریستالی، مشارکت قابل توجهی دارند. ورود Co قابلیت تغییر و خنثی شدن آنیزوتروپی مگنتوکریستالی بیشتر فریت ها، را فراهم می آورد. مخصوصا سرامیک های زینتر شده در دمای و زمان 2 ساعت، دارای نفوذپذیری مغناطییسی و ثابت دی الکتریک نزدیک به 10 هستند و تانژانت اتلاف دی الکتریک آنها نیز در گستره‌ی 2-30 MHz، کمتر از 01/0 است. بنابراین، انعکاس در به طور قابل توجهی بیشتر از می باشد.