РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2014, том 59, № 4, с. 346-352
РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ И ПЛАЗМЕ
УДК 621.317.341+549.08
микроволновые свойства материалов со структурами доломита и ильменита
© 2014 г. А. Б. Ринкевич1, Д. В. Перов1, Ю. И. Рябков2, Н. А. Секушин2
Институт физики металлов УрО РАН, Российская Федерация, 620041 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 E-mail: rin@imp.uran.ru, peroff@imp.uran.ru 2Институт химии Коми НЦ УрО РАН, Российская Федерация, 167982 Сыктывкар, ул. Первомайская, 48 E-mail: ryabkov-yi@chemi.komisc.ru Поступила в редакцию 17.12.2012 г.
Экспериментально исследованы частотные зависимости коэффициентов прохождения и отражения электромагнитных волн на частотах 12...38 ГГц. Показано, что образцы доломитов и корундов имеют малый коэффициент отражения и малую долю поглощенной мощности в некоторых частотных интервалах. Результаты микроволновых измерений сопоставлены со структурным состоянием и фазовым составом образцов.
DOI: 10.7868/S0033849414040081
ВВЕДЕНИЕ
Природные и синтетические корунд, ильме-ниты и доломиты имеют структурное подобие — формируют ромбоэдрическую решетку, и относятся к близким по симметрии пространственным группам (Б^ — Я3е, Б^ — Я3е (С С 3 — Я3 [1]. Материалы на основе соединений с перечисленными структурами являются материалами с небольшими диэлектрическими потерями. Потенциально они имеют достаточно широкие области применения в устройствах электротехники и радиотехники [2—4].
Различия состава и структуры предопределяют весьма большое разнообразие природных материалов по физико-механическим свойствам. Доломит СаМ§(С03)2 является термостойким (до 600°С) диэлектрическим материалом. Кроме того, что примеси кобальта, цинка, железа и других переходных элементов придают природным доломитам разнообразную окраску, они могут также существенно влиять и на электрофизические свойства.
Благодаря доступности сырья (глинозема) и благоприятному сочетанию механических, электрофизических и химических свойств корундовая керамика является самым распространенным видом оксидной керамики. В составе корундовой керамики обычно присутствует более 95% фазы а-А1203, что обеспечивает керамике высокие электрические (например, низкие диэлектрические потери в диапазоне радиочастот и при повы-
шенных температурах), механические и теплофи-зические свойства. Введение в состав керамики небольшого (до 5 мас. %) количества добавок (чаще всего содержащих оксидные соединения магния, бора, переходных металлов) целенаправленно определяет особенности технологии и эксплуатационные свойства керамического продукта. Одно из традиционных направлений использования низкопористой (до 1%) вакуумно-плотной корундовой керамики — это диэлектрические окна для вывода электромагнитной энергии мощных СВЧ-приборов в волноводный тракт, монолитные интегральные схемы усилителей большой мощности, вакуумноплотные вводы датчиков [4]. Структурно непрозрачная корундовая керамика содержит неправильной формы кристаллы, окруженные более мелкими кристаллами. Помимо отличных диэлектрических свойств корундовая керамика обладает высокими прочностными свойствами, которые сохраняются при нагреве до 1600°С, химической стойкостью, высокой твердостью и износостойкостью, низкой газопроницаемостью при температурах до 800°С.
Ильменит является структурным аналогом корунда [1]. Титанаты с ильменитоподобной структурой МеТЮ3 образуются в результате замещения позиций атомов алюминия корундовой структуры на атомы титана и переходного элемента Ме. При этом понижение симметрии сопровождается упорядочением распределения атомов титана и атомов переходных элементов в регулярно чере-
дующихся атомных слоях, перпендикулярных оси с (рис. 1) [5—7].
Микроволновые свойства ильменитов и доломитов изучены недостаточно полно. Предварительные исследования показали, что в спектрах поглощения корундовой керамики на частотах 8... 26 ГГц присутствует набор полос, свидетельствующих о сложном характере поглощения излучения данным материалом [8]. Исходя из химического состава, а именно отсутствия или низкого содержания магнитных примесей, можно прогнозировать использование доломитов в качестве радиопрозрачного материала в диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн. Цель данной работы — исследование свойств материалов со структурой ильменита и доломита в интервале частот 12.38 ГГц. Полученные результаты могут быть полезны при синтезе новых материалов с заданной радиопрозрачностью.
1. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И ОПИСАНИЕ ОБРАЗЦОВ
Исследование электромагнитных свойств в диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн были выполнены на образцах натуральных доломитов и синтетического ильменита. Образцы доломита розового (№ 1) и серого (№ 2) были выпилены из плотной руды, полученной из представительных проб верхнерифейских доломитов Тимана (Северный Урал). Изучен фазовый и химический состав обоих образцов, данные о химическом составе образцов, полученные методом рентгено-флуоресцентного анализа, представлены в табл. 1.
По данным рентгеновской порошковой ди-фрактометрии, выполненной на дифрактометре Shimadzu XRD-6000, в исследуемых образцах в качестве основной фазы присутствует доломит (табл. 2), который кристаллизуется в тригональной сингонии, решетка ромбоэдрическая R. Полнопрофильный анализ рентгенодифракционных картин проводился с помощью программы POWDER CELL v.2.4 [9] и базы данных ICSD [10]. По оце-
Таблица 1. Химический состав представительных проб доломитов в пересчете на оксиды, мас. %
Оксиды Образец № 1 Образец № 2
SiO2 14.24 -
TiO2 0.15 -
A12O3 8.44 -
Fe2O3 + FeO 1.59 0.17
MnO 0.10 -
MgO 28.64 41.11
CaO 45.85 58.72
K2O 1.01 -
Рис. 1. Распределение атомов титана и железа в структуре ильменита FeTiOз в регулярно атомных слоях, перпендикулярных оси с.
ночным данным в образце доломита № 1 содержится не более 1% кварца.
Структура образцов доломита исследована на сканирующем электронном микроскопе
Таблица 2. Рентгенодифракционные характеристики фаз доломита образцов № 1 и № 2
Образец № 1 Образец № 2 hkl Фаза
2©, град d, A I/I0 2©, град d , A I/I0
24.18 3.678 5 24.15 3.682 3 1 0 -2 CaMg(CO3)2
26.77 3.328 3 - - - 0 1 1 SiO2
31.08 2.875 100 31.06 2.877 100 1 0 4 CaMg(CO3)2
37.50 2.397 13 37.49 2.398 11 1 1 0 CaMg(CO3)2
41.27 2.186 34 41.25 2.187 34 1 1 -3 CaMg(CO3)2
45.08 2.010 24 45.06 2.010 20 2 0 2 CaMg(CO3)2
50.67 1.800 21 50.65 1.801 17 1 0 -8 CaMg(CO3)2
51.20 1.783 19 51.18 1.783 26 0 0 9 CaMg(CO3)2
59.03 1.564 7 59.02 1.564 4 2 1 1 CaMg(CO3)2
59.94 1.542 7 59.94 1.542 9 1 2 2 CaMg(CO3)2
63.57 1.462 8 63.56 1.463 7 2 1 4 CaMg(CO3)2
67.54 1.386 13 67.52 1.386 7 3 0 0 CaMg(CO3)2
Примечание. Здесь, а также в табл. 3 и на рис. 3 введены следующие обозначения: 2© — угол дифракции, ¿1 — расстояние между атомными плоскостями, I — интенсивность дифрагированного рентгеновского излучения, !0 — максимальное значение интенсивности на дифрактограмме.
Рис. 2. Результаты электронно-микроскопического исследования структуры образцов доломита № 1 (а) и № 2 (б) (увеличение х3000), ускоряющее напряжение и = 30 (а) и 20 кВ (б).
Quanta-200CX (рис. 2). Исследование однородности химического состава, проведенное с помощью приставки EDAX, показало, например, что в восьми исследованных областях образца № 1 содержание кальция меняется от 15.4% до 22.8%.
Синтез серии образцов корундовой керамики проводили из химически чистых оксидов по керамической технологии. Шихта имела следующий состав (мас. %): А1203 - 91.8, 8Ю2 - 4.4, ТЮ2 - 2.5, Сг203 — 0.2, Fe203 — 1.1. Формование образцов производили прессованием в стальных пресс-формах при давлении 500 атм. Обжиг прессовок осуществляли на воздухе при температуре 1450°С в течение 1 ч. Нагревание до температуры обжига и охлаждение образцов проводили со скоростью 100°С/ч. В результате был получен плотный светло-серый микрокристаллический материал с прочностью на изгиб до 300 МПа.
Рентгенограмма представительного образца (8Ытаё2и XRD-6000) приведена на рис. 3, а отнесение пиков рентгенограммы — в табл. 3. Установлено, что преобладающая фаза — корундовая, по составу это твердый раствор (А1, Сг, Fe)203. Обнаружено незначительное количество фазы силлиманита А128Ю5. Выявлены также следы псевдоб-рукита Fe2Tl05. Результаты исследования структуры образца № 3 на сканирующем электронном микроскопе Quanta-200CX представлены на рис. 4.
Микроволновые измерения выполнены в частотном диапазоне 12.38 ГГц с использованием
29, град
Рис. 3. Рентгенограмма образца корунда № 3 (отнесение пиков 1—9 см. в табл. 3).
стандартных волноводов, работающих на моде ТЕ10 [11, 12]. Для выполнения микроволновых измерений образец помещали в волновод таким образом, чтобы он полностью заполнил все его поперечное сечение. При этом образец длинной стороной размещали поперек оси СВЧ-тракта. В микроволновых экспериментах с помощью измерителей КСВ и отражения измеряли модули коэффициентов прохождения Б и отражения Я.
Разность 1 - (| Б2 +Щ2) выражает долю поглощенной мощности. Во всем интервале частот осуществлялся одномодовый режим. Толщины образцов составляли от 2 до 4 мм. Все микроволновые эксперименты выполнены при комнатной температуре.
Был разработан алгоритм, позволяющий выбрать значения эффективных материальных констант по измерениям микроволнового коэффициента прохождения. Будем считать, что заполненный образцом участок волновода — область 2 — имеет эквивалентное сопротивление Т2, а незаполненные участки — сопротивление Т1. Обозначим через Р2 комплексную постоянную распространения р2 = р 2 + Ф"- Комплексные коэффициенты прохождения Б и отражения Я выражаются следующими формулами из [13]:
Таблица 3. Отнесение пиков рентгенограммы рис. 3
Б =
Я =
1
2 -1) еЪр2^ + 2 ( + £-1 )р2/
(1)
(2)
где £, = Т/Тъ длина образца вдоль оси волновода равна й, поперечные размеры волновода а и Ь, причем а — это большая стенка волновода. Эквивалентные сопротивления для основной моды волновода ТЕ10 можно выразить через волновые сопротивления Ж1 и Ж2 [14]:
^ = пZ2 = пЬЩ2; 2 а 2 а
где
Щ = 120п
Щ2 = 120пц
Здесь еэф, цэф —эффективные диэлектрическа
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.