Korszerű kerámiarendszerek fejlesztése a távközlési ipar számára NKFP 3A OO17/2002 Dr. Sztaniszláv Dánielné TKI-Ferrit Kft. Konzorcium vezetője

Korszerű kerámiarendszerek fejlesztése a távközlési ipar számára. A konzorcium tagjai: • TKI-Ferrit Fejlesztő és Gyártó Kft. Kisvállalkozás Szerződés száma:OM 00103/2002 • KŐPORC Fejlesztés Kft. Kisvállalkozás Szerződés száma:OM 00105/2002 • MTA MFA nonprofit szervezet Szerződés száma: OM 00110/2002 • Josef Stefan Institute Ljubljana, Szlovénia ( TéT)

A pályázat témája: Mikrohullámú ferritek és kerámia dielektrikumok összehangolt fejlesztése a távközlési ipar számára nélkülözhetetlen mikrohullámú alkatrészek - ferrites eszközök (izolátorok, cirkulátorok) - előállításához.

Ferrites eszközök bemutatása:

ferrit Kerámia dielektrikum áramköri elem Hangoló elem

Ferrites eszközök főbb alkotóelemei: • állandó mágnesek ferritmágnesek, ritkaföldfém-mágnesek, fém-mágnesek • lágymágneses ferritek (MeFe 2 O 4 ), gránátok (YFe 5 O 12 ) • kerámia dielektrikumok ( BaO/TiO 2, TiO 2 /ZrO 2, MgTiO 3 /ZnTiO 3 )

Tervezett munka: • Anyagfejlesztés •különböző összetételű kerámia dielektrikumok kifejlesztése •különböző összetételű ferritek, gránátok kifejlesztése • Technológia-fejlesztés (modern sajtolási technológiák alkalmazása) •homogén szemcseméret-eloszlás •tömörség növelése •szemcseméret csökkentése speciális felhasználásokhoz (nagyteljesítményű eszközök) • Anyagvizsgálat (kémiai összetétel, kémiai homogenitás, morfológia) •nagyérzékenységű vizsgálati módszerek kifejlesztése •gyors kiértékelő szoftverek kidolgozása • Ferrites eszközök tervezése, előállítása

SorszámFeladatKözreműködőKezdésBefejezésMegjegyzés 1.NPO diektrikum kifejlesztése Kőporc Fejlesztés, MTA MFA 2OO2.O4.O2.2OO3.O1.31.Határidőre teljesült 2.3OO-7OO G tel. mág. gránátok kifejlesztése TKI-Ferrit2OO2.O4.O2.2OO3.O1.31.Határidőre teljesült 3.N-15O típusú dielektrikum kifejlesztése Kőporc Fejlesztés, MTA MFA 2OO3.O7.31.2OO4.O1.31.Határidőre teljesült 4.8OO-18OO G tel. mág. gránátok kifejlesztése TKI-Ferrit2OO2.O4.O2.2OO3.O1.31.Határidőre teljesült 5.Anyagszerkeze ti vizsgálati módszerek kidolgozása MTA-MFA2OO2.O4.O2.2OO3.O7.31.Határidőre teljesült 6.Ferrites eszközök tervezése TKI-Ferrit2OO2.O4.O2.2OO3.O7.31.Határidőre teljesült

SorszámFeladatKözreműködőKezdésBefejezésMegjegyzés 7.Anyagvizsgála ti módszerek alkalmazása MTA MFA2OO3.O1.31.2OO4.O7.31.Folyamatban 8.Dielektrikum megmunkálás kidolgozása KŐPORC FEJLESZTÉS 2OO3.O7.31.2OO4.O7.31.Folyamatban 9.Ferritmegmun kálás kidolgozása TKI-Ferrit2OO3.O7.31.2OO4.O7..31.Folyamatban 1O.O széria gyártás KŐPORC FEJLESZTÉS 2OO4.O1.31.2OO4.O7.31. Folyamatban 11.O széria gyártás TKI-Ferrit2OO4.O1.31.2OO4.O7.31. Folyamatban 12.Ferrites eszköz prototipusának elkészitésa TKI-Ferrit2OO4.O1.31.2OO5.O Dokumentálás, publikálás, marketing TKI-Ferrit, KŐPORC 2OO4.O7.31.2OO5.O1.31.

Főbb eredmények Főbb eredmények 2. és 4. részfeladatok Különböző kémiai összetételű gránátanyagokat és spinelferriteket állítottunk elő, mértük főbb mikrohullámú anyagparamétereit, és megállapítottuk a felhasználás szempontjából előnyös és hátrányos tulajdonságaikat. Ezen eredmények alapján lehetővé válik a ferrites eszközfejlesztő számára a megfelelő ferrit gránát – kerámia párok összeállítása. A vizsgált anyagrendszerek a következők voltak: Y-Fe gránát - Y 3 Fe 5 O 12 Anyag jele YFeε tg δ x10 -4 ∆H (Oe) 4 πM S (G) T C ( o C)α +70 (%/ o C) Y-1 3,05,0 15, ,22

Alumínium szubsztituált gránátok ( Y 3 Fe 5-5y Al 5y O 12 ) és Gadolínium szubsztituált gránátok ( Y 3-x Gd x Fe 5 O 12 ) A gadolínium szubsztitúció előnye A gadolínium szubsztitúció előnye : mikrohullámú anyagparamétereinek kiváló stabilitása széles hőfoktartományban. A spinhullám vonalszélesség növekedése miatt nagyobb terhelhetőség. Hátránya: Hátránya: a gadolínium beépülése növeli a mágneses veszteségeket, így kisveszteségű eszközökhöz történő alkalmazása nem ajánlott. A ΔH növekedése miatt 1000 G feletti telítési mágnesezettségű anyagok használhatók elsősorban.

Y 3 Fe 5-5y Al 5y O 12 Alumínium szubsztituált gránátok - Y 3 Fe 5-5y Al 5y O 12 Az alumínium szubsztitució előnye Az alumínium szubsztitució előnye : telítési mágnesezettség széles tartományban csökkenthető, alacsonyak a mágneses és dielektromos veszteségek. Hátránya: Hátránya: az alumínium beépülése telítési mágnesezettség hőmérsékletfüggését növeli, mivel az alumínium ion jelentősen csökkenti az anyag Curie pontját. További hátránya, hogy az alumínium tartalom növelésével jelentős mértékben emelkedik az előállítási hőmérséklet is, és a különböző szubsztituált gránátok közül a legkeményebb anyag, megmunkálása rendkívül költséges. Ha homogén anyagot kívántunk előállítani, egy további (harmadik) homogenizáló őrlést, és egy további (második) előszinterelési folyamatot kellett beiktatnunk. Ezek az anyagok általában 700 G-nál nagyobb telítési mágnesezettség tartományban használhatók.

A gadolínium-alumínium szubsztitúció előnye A gadolínium-alumínium szubsztitúció előnye : alacsony telítési mágnesezettség értékeknél a mikrohullámú anyagparaméterek stabilitása széles hőfoktartományban kiváló. A spinhullám vonalszélesség növekedése miatt mérsékelten terhelhetők is. Hátránya: Hátránya: ugyan a gadolínium beépülése növeli a mágneses veszteségeket, de alacsony frekvenciájú ferrites eszközökben még jól alkalmazhatók. Gadolínium-alumínium szubsztituált gránátok - Y 3-3x Gd 3x Fe 5-5y Al y O 12

Alacsony mágneses veszteségekkel rendelkező In vagy Zr szubsztituált gránátok Indium szubsztituált gránátok: {Y 3-2x-a Ca 2x Gd a }[Fe 2-z-/1-f/ y In z Al y ](Fe 3-x-fy V x Al fy )O 12 A gadolínium-alumínium-indium-kalcium-vanádium szubsztitúció előnye : nagyon jó hőstabilitású, kis mágneses és dielektromos veszteségekkel rendelkező anyagok. Gazdaságosan állíthatók elő, mert színterelési hőmérsékletük az összes ismertetett gránátanyag közül a legalacsonyabb, és az alapanyagok nagy része (CaCO 3, V 2 O 5, Al 2 O 3 ) olcsó. A kalcium és vanádium adaléknak köszönhetően a legkevésbé kemény gránátanyag, így megmunkálása is egyszerűbb. Hátránya: A sok komponens miatt különös figyelmet igényel a kívánt kémiai összetétel biztosítása, továbbá a relaxáló ionok 200 ppm-nél alacsonyabb értéken tartása (ΔH alacsony értéke miatt) Hátránya: A sok komponens miatt különös figyelmet igényel a kívánt kémiai összetétel biztosítása, továbbá a relaxáló ionok 200 ppm-nél alacsonyabb értéken tartása (ΔH alacsony értéke miatt)

Cirkónium szubsztituált gránátok: Y 3-x Ca x Fe 5-x-y Zr x V y O 12 A cirkónium szubsztitució előnye : az yttrium-vas gránátok telítési mágnesezettségét 10 %-kal növelni lehet. A mágneses veszteségeket jelentősen csökkenti. Hátránya: Curie pontot jelentősen csökkenti, és ezáltal a telítési mágnesezettség hőmérsékletfüggését jelentősen növeli. A reprodukálhatóság számunkra komoly problémát jelentett, mert a rendelkezésünkre álló klasszikus, nedves-kémiai analízissel a cirkónium mennyiségi meghatározása bizonytalan volt, az ioncserélő oszlopon az éles elválasztást nem tudtuk megoldani. Ezért döntöttünk végül az ugyanolyan jó eredményt hozó indiumos szubsztitució mellett.

Spinel ferritek - Mn x Mg y Fe z O 4 (x+y+z=3)

Kerámia dielektrikumok kifejlesztése 1. és 3. részfeladat A felhasználás szempontjából legfontosabb anyagparaméterek: •a dielektromos állandó és ennek frekvencia-és hőmérsékletfüggése: függ az anyagszerkezettől •a dielektromos veszteségi tényező függ az anyagszerkezettől és az előállítási technológiától Jelen feladatunk 100 MHz – 40 GHz tartományban adott dielektromos állandóval és veszteségi tényezővel rendelkező anyagok kifejlesztése. Korábbi tapasztalataink, előkísérleteink és elméleti megfontolások alapján a vizsgálandó anyagrendszerek: 1.BaO-TiO 2 adalékolt rendszer NPO dielektrikum céljára 2.MgTiO 3 – ZnTiO 3 adalékolt rendszer N150 típusú dielektrikum céljára

BaO-TiO 2 adalékolt rendszer

Minta számaMol %-ban 750 ZnO50 TiO MgO50 TiO 2 915,8 BaO76,3 TiO 2 7,9 Nd 2 O ,2 BaO78,3 TiO 2 5,2 Nd 2 O ,5 BaTiO 3 69,2 TiO 2 15,5 Nd 2 O 3 0,65 SrZrO 2,11 Bi 2 O La 2 O 3 50 Al 2 O ,3 La 2 O 3 66,6 TiO Bi 2 O 3 60 TiO CaO50 TiO ZrO 2 50 TiO 2 MgTiO 3 – ZnTiO 3 adalékolt rendszer N150 típusú dielektrikum céljára

Minta számaMol %-ban 1748 ZrO 2 48 TiO 2 4 SiO ZrO 2 48 TiO 2 4 talkum 1950 Mg TiO 3 50 ZnTiO Mg TiO 3 60 ZnTiO MgTiO 3 40 ZnTiO Al 2 O 3 39 MgO50 SiO 2 1 CaO 2360 Al 2 O 3 20 B 2 O 3 20 SiO 2 szilikagél 2460 Al 2 O 3 20 B 2 O 3 20 SiO 2 kovasav 2512,5 Mg TiO 3 12,5 ZnTiO 3 11,85 BaO57,22 TiO 2 5,92 Nd 2 O Mg TiO 3 25 ZnTiO 3 7,9 BaO38,15 TiO 2 3,95 Nd 2 O ,5 Mg TiO 3 37,5 ZnTiO 3 3,95 BaO19,08 TiO 2 1,98 Nd 2 O 3

Minta száma Súly %-ban 2890 Mg TiO 3 10 ZnTiO 3 0,5 CaF Mg TiO 3 10 ZnTiO 3 0,5 MnO Mg TiO 3 40 Talkum

Minta száma Permittivitás  Veszt. Tényező tg  [×10 -4 ] Hőm. együttható Tk [×10 -6 ] nem égetttömörre 1337, nem égetttömörre

Minta száma Permittivitás  Veszt. tényező tg  [×10 -4 ] Hőm. együttható Tk [×10 -6 ] 17nem égetttömörre 1816, , , , , nem égetttömörre 24nem égetttömörre 2540, ,4515

Permittivitás  Veszt. Tényező tg  [×10 -4 ] Hőm. együttható Tk [×10 -6 ] 2716, , , ,9-5102

Összegezve: Kifejlesztettük a magasabb (100 MHz felett) alkalmazható dielektrikumokat, melyek paraméterei: •Permittivitás: 6 – 65 •Veszteségi tényező: < 10 × •Dielektromos állandó hőmérséklet függése: +120 és –350 × 10 -6

Anyagszerkezeti vizsgálati módszerek kidolgozása 5. részfeladat A kifejlesztendő anyagvizsgálati módszerek elsősorban a ferritek és kerámiák morfológiai és morfológiára visszavezethető jelenségek SEM vizsgálatára, ezen belül is a szemcseszerkezet meghatározására irányuló metodikai fejlesztések voltak. Ennek keretében megoldottuk a • szemcsehatárok előhívását • megfelelő SEM módszerrel történő leképzését • a SEM képek számítógépes feldolgozását. A szemcsehatárok előhívására két módszert próbáltunk ki: • A kémiai marást (azeotrópos sósav, 15 perc) és • Az úgy nevezett hőmarást (1OOO ill. 12OO O C-on 3 óra)

 -HŐMARÁS /// KÉMIAI MARÁS (1) Termikusan és kémiailag mart kerámiafelület összehasonlítása

A hőmart minta SEI képén először a Winjpeg programban gamma korrekciót hajtottunk végre, majd medián szűrővel simítottuk ( 5/12. ábra [A] kép). Az eredményre a Digital Micrograph Demo programban Sobel szűrőt alkalmaztunk ( [B] kép), majd Fourier transzformációval (FFT/filter/IFFT) ( [E] kép) kiszűrtük a nagyfrekvenciás zajt. Ezután az inverz transzformációval kapott kép szürkeséghisztogramján ( [F] kép) meghatároztuk a szemcsékre jellemző küszöbértéket, minek alapján a program felismerte és megszámozta a szemcséket ( [C] kép). Táblázatosan ( [t] ablak ) meghatározta a területeket, majd grafikusan ( [G] kép) a méreteloszlást. Összefoglalva az eredményeket megállapítható, hogy az optimalizált előhívás és képalkotás után még jó néhány képmódosítást kell végrehajtani, hogy az emberi szem számára jól felismerhető szemcseszerkezet a képanalizáló program számára is kezelhetővé váljon.

Ferrites eszközök tervezése 6. részfeladat CC 1327K és CC 1327 típusszámú koaxiális cirkulátorok: működési frekvenciatartomány:1350 MHz MHz működési hőmérséklettartomány: C ÷ C A következő mérési eredmények igazolják, hogy •Kis telítési mágnesezettség-hőmérsékletfüggéssel rendelkező ferrit gránát anyag alkalmazásával jó hőstabilitású ferrites eszközök állíthatók elő •Különböző dielektromos állandójú kerámia dielektrikumokat használva az eszköz mérete jelentősen változtatható és az eszköz működési frekvenciatartománya megnövelhető •A ferrit hőfokfüggését kompenzálni tudtuk a kerámia illesztőhálózat hőfokfüggésének változtatásával.

Főbb eredmények, újdonságok •A ferrit gránát-anyagok és a kerámia dielektrikumok olyan jelentős anyagválasztékának kidolgozása, ami lehetővé teszi új, korszerű ferrites eszközök gyors kifejlesztését. •Új termékkel, mikrohullámú kerámia dielektrikumokkal tud a KŐPORC-Fejlesztés megjelenni a piacon. •Az MTA MFA által kidolgozott SEM számítógépes képanalizáló módszerrel lehetőség nyílik a morfológiai vizsgálatok objektív, egyértelmű értékelésére •A két kisvállalkozás piaci részesedését növelheti új, korszerű mikrohullámú termékekkel. Ennek első lépése a MARCONI cég 2OO3. évi megrendelése: fél év alatt 4OO db CC 1327K és 15O db CC 1327 típusú ferrites eszközt vásárolt a TKI-Ferrit Kft-től •Újabb szélessávú eszközökre jelentek meg igények A konzorciumi együttműködés szervezettsége •Rendszeres munkamegbeszélések, •A két kisvállalkozás együttműködése a ferrites eszközök gyártása területén •Egyéb közös K F tevékenység (NATO, TéT) •Közös EU 6 pályázat készítése

A kitűzött cél időarányos teljesítése A kitűzött feladatok időarányos része teljes mértékben teljesült. Eltérések, módosítások Eltérések, módosítások a költségvetés beruházásokra előirányzott részénél, ill. a költségvetési intézménynél vannak. Okok: •Beruházásra előirányzott összeg optimális felhasználása: •egyéb pályázati forrásokból várható pénzek (EU 6.) •Beruházás és ferrites eszközök exportigényének összehangolása •Késedelmes forráshozzáférés (költségvetési intézmények forrás-átcsoportosítása)