Processing–microstructure–properties relationship in a CuNiZn ferrite

Abstract

CuNiZn ferrites are polycrystalline ceramic materials that are used widely in electronic devices for a number of reasons, including their high permeability in the RF frequency region, electrical resistivity, mechanical hardness and chemical stability. One of their main applications is in the production of specimens to prevent possible interferences between electronic devices, thanks to their ability to absorb electromagnetic waves. However, their electromagnetic properties are not solely dependent on their chemical composition, but also on the microstructure of the final piece (relative density or total porosity, grain size distribution, pore size distribution, the nature of the grain boundary, presence of secondary phases, dopants, etc.) and, therefore, on the morphology and size of the starting particles, and the processing method.

The microstructure of the sintered specimens was designed in such a way as to optimize the electromagnetic properties of this ferrite. The solid-state sintering stage was also modeled with this optimization in mind. This sintering model enabled to propose the material transport mechanisms that controlled the densification and grain-growth rates, as well as the relative rates of these two simultaneous processes. The established relationships facilitate the design of a thermal cycle suitable for the manufacture of ferrite pieces with maximum relative density and the necessary microstructure. Together with the pre-configured chemical composition, the idea is that this ensures a strong set of final electromagnetic properties.

The electromagnetic properties of the sintered ferrites were observed to improve as sintered relative density and average grain size increased, provided there was no evidence of exaggerated grain growth. In this sense, it seems there is a threshold of the grain size as of which the electromagnetic properties of the sintered specimens get worse. A linear relationship was observed between the imaginary part of the complex magnetic permeability and average grain size, provided each of the different magnetization mechanisms contributing to the complex permeability of the ferrite are taken into account (i.e. spin rotation and wall motion mechanisms).

Las ferritas de CuNiZn son materiales cerámicos policristalinos ampliamente utilizados en dispositivos electrónicos debido a su elevada permeabilidad en la región de RF, resistividad eléctrica, resistencia mecánica y estabilidad química. Una de sus principales aplicaciones es la obtención de piezas para la prevención de posibles interferencias entre aparatos eléctricos debido a su capacidad de absorción de la radiación electromagnética. Pero estas propiedades electromagnéticas no solo dependen de su composición química, sino también de la microestructura del producto final (densidad relativa o porosidad total, distribución de tamaños de grano, presencia de fases secundarias, dopantes, etc.) y, por lo tanto, de la morfología y el tamaño de las partículas de partida y del método de procesado.

Con el fin de optimizar las propiedades electromagnéticas de este tipo de ferritas se ha diseñado la microestructura de las piezas sinterizadas. Para ello, se ha modelizado la etapa de sinterización en estado sólido. Este modelo de sinterización ha permitido proponer los mecanismos de transferencia de materia que controlan las velocidades a las que transcurren los procesos de densificación y crecimiento de grano, así como las velocidades relativas de estos procesos simultáneos. Dichas relaciones permiten el diseño del ciclo térmico más apropiado para la obtención de piezas de ferrita de máxima densidad relativa y microestructura adecuada que, juntamente con la composición química prefijada, aseguren unas buenas propiedades electromagnéticas del producto final.

Se ha observado que las propiedades electromagnéticas de las ferritas sinterizadas mejoran con el aumento de la densidad relativa en cocido y con el tamaño medio de grano, mientras no se produzca un crecimiento exagerado o heterogéneo del mismo. En este sentido, parece que existe un tamaño de grano límite a partir del cual empeoran las propiedades electromagnéticas de las piezas sinterizadas. Asimismo, la parte imaginaria de la permeabilidad magnética compleja varía linealmente con el tamaño medio de grano, siempre y cuando se tenga en cuenta cada uno de los mecanismos de magnetización que contribuyen a esta propiedad electromagnética (rotación de spin y desplazamiento de paredes de dominio).