Σιδηριμαγνητικά κεραμικά υλικά της δομής του σπινελίου για την ανάπτυξη στοιχείων (μικρο-)ηλεκτρονικής

Abstract

The present PhD Thesis deals with ferrimagnetic ceramic materials having spinel structure and more specifically with MnZn ferrites. Its purpose is the development of MnZn ferrites that have improved magnetic properties. This purpose is firstly realized through optimizations on the process parameters (Chapters 2 and 3). Additionally, the development of new ferrite materials (Chapters 4 and 5) is achieved through optimizations in the design of the unit cell lattice. That means that the improvement of the properties is a combined result of the development of the polycrystalline microstructure and the design of the antiferrimagnetic unit cell.Alternative drying and shaping technologies were examined in order to improve the magnetic properties of magnetic ceramics. Freeze drying and wet pressing technologies are applied and evaluated in the manufacturing process of functional ceramics such as MnZn power ferrites. Concerning the pressing process, the effect of important factors on that describe the compaction quality of MnZn ferrites is initially investigated. By introducing wet pressing technology, MnZn ferrite materials exhibiting power losses of 210 mW cm-3 (at 100 kHz, 200 mT and 100oC) are synthesized. This is one of the lowest power loss values reported in the scientific or patented literature. Regarding the development of new materials, two new MnZn ferrites are developed in the present Thesis. The first ferrite material is used for high frequency applications, exhibits low power losses and low temperature dependence. Inverters of the photovoltaic systems take advantage of the above properties. A new MnZn ferrite with high saturation flux density is also developed. These ferrites are necessary in applications like the inverter units of renewable power sources, stators of new generation motor designs or the wireless charging of electric vehicles. The new MnZn ferrite that has been developed through optimizations in the design of the unit cell gives saturation flux density of 642 mT at 10 kHz, 1200 A/m, 25oC and 550 mT at 10 kHz, 1200 A/m, 100oC. The combination of the magnetic properties that achieved, places this material among the best in its class. The common point of the optimizations on the process parameters and the development of new MnZn ferrite materials that are described in the present PhD Thesis is the decrease of power losses. Nowadays environmental and economic concerns require less energy consuming electrical, electronic and telecommunication devices, which in turn means less energy loss for the components they are built from. These loss values open new possibilities either for lower energy consumption or for even further component miniaturization in microelectronic circuits and the results of this Thesis can help to this direction.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει ως αντικείμενο τα σιδηριμαγνητικά κεραμικά υλικά της δομής του σπινελίου και συγκεκριμένα τους φερίτες MnZn. Στόχος της είναι η ανάπτυξη υλικών με βελτιωμένες μαγνητικές ιδιότητες. Ο στόχος αυτός τελικά επιτεύχθηκε, τόσο με τη βελτιστοποίηση των διεργασιακών παραμέτρων (Κεφάλαια 2 και 3), όσο και με την ανάπτυξη νέων υλικών μέσω βελτιστοποιήσεων σε επίπεδο μοναδιαίας κυψελίδας του υλικού (Κεφάλαια 4 και 5). Είναι δηλαδή αποτέλεσμα συνδυαστικών βελτιστοποιήσεων, τόσο σε επίπεδο σχεδιασμού της πολυκρυσταλλικής μικροδομής, όσο και σε επίπεδο σχεδιασμού της μοναδιαίας κυψελίδας. Σχετικά με τις επεμβάσεις στη διεργασία παρασκευής των φεριτών, οι επεμβάσεις αυτές εστιάζονται στο στάδιο της ξήρανσης και στο στάδιο της συμπίεσης. Όσον αφορά την ξήρανση, γίνεται εφαρμογή της κρυοξήρανσης αντί της ξήρανσης δια ψεκασμού. Είναι η πρώτη φορά που εφαρμόζεται η τεχνική της κρυοξήρανσης στους φερίτες. Στο στάδιο της συμπίεσης, εφαρμόστηκε η υγρή συμπίεση αντί της ξηρής συμπίεσης, αφού πρώτα ερευνήθηκαν οι κύριες παράμετροι που επηρεάζουν τη συμπίεση των κόνεων και εξετάστηκε η επίδραση κάποιων διεργασιακών παραγόντων στις παραμέτρους που περιγράφουν τη συμπεριφορά της κεραμικής κόνης κατά τη συμπίεση. Η τιμή των 210 mW cm-3 (στα 100 kHz, 200 mT, 100°C) που ελήφθη με την εφαρμογή της υγρής συμπίεσης, αποτελεί τη χαμηλότερη τιμή απωλειών ισχύος που έχει αναφερθεί ποτέ στην παγκόσμια βιβλιογραφία, σε πατέντες ή επιστημονικά περιοδικά.Επίσης, στην παρούσα διατριβή αναπτύχθηκαν δύο νέα υλικά. Το πρώτο υλικό αφορά φερίτη MnZn για εφαρμογές υψηλών συχνοτήτων, ο οποίος εμφανίζει χαμηλές απώλειες ισχύος και ταυτόχρονα χαμηλή εξάρτηση από τη θερμοκρασία. Με μια σειρά επεμβάσεων που πραγματοποιήθηκαν σε επίπεδο σχεδιασμού της μοναδιαίας κυψελίδας αναπτύχθηκε τελικά φερίτης MnZn με πυκνότητα μαγνητικής ροής κόρου 642 mT και 550 mT (στα 10 kHz, 1200 A/m) στους 25oC και 100oC, αρχική διαπερατότητα 1020 (στα 10 kHz, 0.1 mT, 25oC) και απώλειες ισχύος 800 mW cm-3 (στα 100 kHz, 200 mT, 100oC). Οι παραπάνω τιμές αποτελούν ίσως τον καλύτερο συνδυασμό ιδιοτήτων, δηλαδή αυξημένης πυκνότητας μαγνητικής ροής κόρου, αυξημένης διαπερατότητας και χαμηλών απωλειών, σε σύγκριση με τα υλικά που παρουσιάζονται στην παγκόσμια βιβλιογραφία, πατέντες και δημοσιευμένες εργασίες, αλλά και με τα υπάρχοντα υλικά που διατίθενται στην αγορά από την παγκόσμια βιομηχανία φεριτών. Οι επεμβάσεις στη διεργασία παρασκευής των φεριτών και η ανάπτυξη των νέων υλικών που περιγράφονται στην παρούσα διδακτορική διατριβή έχουν σαν κοινό χαρακτηριστικό την ελάττωση των απωλειών ισχύος. Κινήσεις προς αυτήν την κατεύθυνση θεωρούνται απαραίτητες καθώς περιβαλλοντικές και οικονομικές ανησυχίες απαιτούν τη χρησιμοποίηση συσκευών με μικρότερη κατανάλωση ενέργειας και τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής βοηθούν προς αυτήν την κατεύθυνση.