Технология микро-и наноэлектроники : технология материалов магнитоэлектроники

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 1930 

Кафедра технологии материалов электроники

И.И. Канева 
С.В. Подгорная 
В.Г. Андреев 

Технология микро-  
и наноэлектроники 

Технология материалов магнитоэлектроники 

Лабораторный практикум 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва 2011 

УДК 621.318.1 
 
К19 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук, доц. Т.Д. Лисовская 

Канева, И.И. 
К19  
Технология микро- и наноэлектроники : технология материалов магнитоэлектроники : лаб. практикум / И.И. Канева, 
С.В. Подгорная, В.Г. Андреев. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2011. – 
161 с. 
 

Лабораторный практикум содержит описание двенадцати лабораторных 
работ по курсам «Технология материалов магнитоэлектроники» и «Материаловедение магнитоэлектроники». 
Приведены методики определения характеристик порошков, а также измерения и расчета электромагнитных и механических свойств спеченных керамических материалов. Рассмотрена связь химического и фазового состава с 
параметрами микроструктуры и свойствами ферритов. Приведены методики 
определения количественных характеристик микроструктуры. 
Предназначен для студентов IV и V курсов, обучающихся по специальности 210104 «Микроэлектроника и твердотельная электроника», и магистров I 
и II годов обучения по направлению 210100 «Электроника и микроэлектроника». 

 

 
© И.И. Канева, 
С.В. Подгорная, 
В.Г. Андреев, 2011 

СОДЕРЖАНИЕ 

Лабораторная работа 1. Определение характеристик 
исходных сырьевых материалов  и ферритовых 
порошков...................................................................................................4 
Лабораторная работа 2. Измерение и расчет 
механической прочности керамических материалов..........................28 
Лабораторная работа 3. Оценка степени текстуры 
в анизотропных гексаферритах.............................................................43 
Лабораторная работа 4. Оценка качества и определение 
количественных характеристик микроструктуры 
керамики..................................................................................................61 
Лабораторная работа 5. Влияние режима 
диффузионного обжига на фазовый состав  и свойства 
Mn–Zn-ферритов.....................................................................................78 
Лабораторная работа 6. Влияние температуры 
диффузионного обжига феррита марки 3CЧ18 на его 
фазовый состав и свойства ....................................................................90 
Лабораторная работа 7. Комплексный 
термографический (дериватографический) анализ сырья 
и ферритовых порошков ......................................................................104 
Лабораторная работа 8. Влияние давления прессования  
и физико-химических свойств ферритовых пресспорошков  на механическую прочность  пресс-заготовок................113 
Лабораторная работа 9. Влияние режимов 
приготовления ферритовых порошков на величину их 
удельной магнитной восприимчивости..............................................122 
Лабораторная работа 10. Влияние отклонения от 
стехиометрии на фазовый состав и свойства 
феррогранатов.......................................................................................130 
Лабораторная работа 11. Влияние температуры 
спекания на свойства феррогранатов..................................................141 
Лабораторная работа 12. Оптимизация режима спекания 
феррита марки 100НН..........................................................................149 
 

Лабораторная работа 1 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК 
ИСХОДНЫХ СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ  
И ФЕРРИТОВЫХ ПОРОШКОВ 

(4 часа) 

1.1. Цель работы 

Научить методам экспериментального исследования качества исходных сырьевых материалов и ферритовых порошков (гранулометрический состав, насыпная плотность, текучесть, коэффициент усадки таблеток) и целенаправленному выбору метода контроля качества 
порошков. 

1.2. Теоретическое введение 

Основной задачей технологии ферритов является создание материалов с заданными свойствами и высокой их воспроизводимостью. 
Решение этой задачи во многом зависит от физико-химических 
свойств порошков – исходных сырьевых материалов и ферритовых 
порошков (продуктов диффузионного обжига). 

1.2.1. Исходные материалы при изготовлении 
ферритов 

В производстве ферритов исходными материалами являются соли, 
оксиды и гидроксиды металлов. От качества сырья существенно зависят свойства ферритов и их повторяемость, поэтому необходимо 
уметь контролировать и регулировать физико-химические свойства 
исходных материалов. Степень пригодности оксидов для приготовления ферритов определяется чистотой, дисперсностью, структурными характеристиками и активностью. 
До настоящего времени нет достаточно обоснованных требований 
к сырым материалам для получения ферритов различного назначения. Из оксидов, отвечающих техническим условиям (Fe2O3, NiO, 
ZnO и т.д.), не всегда удается получить ферриты с требуемыми свойствами. Одной из причин низкой воспроизводимости параметров 

ферритов следует считать различную активность исходных сырых 
материалов. 
В ферритовом производстве используются исходные оксиды различной квалификации: чистый «ч», чистый для анализа «чда», очень 
чистый «оч», для ферритов с прямоугольной петлей гистерезиса 
«ппг», «для ферритов». Широко используются соли Li2CO3, MnCO3 
(в оксидной технологии) и FeSO4·7H2O, MnSO4·7H2O и другие (в методе термического разложения солей). 
Порошки характеризуются химическим составом, а также физическими и технологическими свойствами. К физическим свойствам 
относятся форма и размеры частиц и их распределение, микротвердость, удельная поверхность, пикнометрическая плотность, состояние кристаллической решетки порошковых частиц, твердость частиц. 
Технологические свойства характеризуются насыпной массой, текучестью и прессуемостью порошка. 
Варьируя технологические параметры, из одних и тех же исходных материалов можно получить ферритовые порошки с различными 
свойствами. Поэтому целесообразно оценивать физические и технологические свойства не только исходных оксидов, но и полученных 
ферритовых порошков. 
Основные требования к сырью для ферритов – стабильность химического состава (т.е. качественное и количественное постоянство 
максимально допустимых примесей) и физико-химического состояния. Последнее характеризует реакционную способность сырья и качественно определяется состоянием поверхности частиц, дефектностью кристаллической решетки, процентным соотношением полиморфных модификаций. От этих факторов существенно зависит скорость синтеза. 
Наибольшее значение из всех видов сырья при производстве ферритов имеют характеристики оксида железа Fe2O3, поскольку он входит во все ферриты в больших количествах (до 90 %). 

1.2.2. Методы оценки качества порошков 

Качество порошков оксидов, как правило, оценивается по величине удельной поверхности или коэффициенту усадки. Однако оценка 
качества порошков только по этим параметрам является недостаточной. Попытки найти более полную характеристику активности порошков привели к созданию многочисленных методик, с помощью 
которых определяют скорость растворения навески порошка в ки

слоте, каталитическую активность, используя метод адсорбции красителей. Но все эти методики не дают возможности однозначно оценить активность порошков. 
На активность порошков большое влияние оказывает их структурное состояние. Поэтому одним из главных факторов, определяющих активность материала при спекании, является наличие дефектов 
в структуре частиц. 
В процессе смешения и измельчения порошков их активность 
может увеличиваться как за счет уменьшения размеров частиц, так и 
путем создания микроискажений кристаллической решетки. Микроискажения – неоднородные изменения межплоскостных расстояний 
в пределах блока или при переходе от блока к блоку. Величина микроискажений может быть определена по уширению линий рентгенограммы ΔB: 

 
,
4tg

B
Δα
Δ
=
α
Θ  
(1.1) 

где Δα  – изменение параметра кристаллической решетки; 
 
Θ  – угол Вульфа – Бреггов. 
Оценка активности порошков с учетом микроискажений позволяет наиболее полно судить о реакционной способности. Изменение 
режимов смешения и измельчения порошков позволяет сознательно 
регулировать величину микроискажений, что в свою очередь помогает управлять структурой и свойствами ферритовых материалов. 
В действующих ТУ на сырые материалы для ферритов предусмотрено измерение усадки при определенной температуре. Это в 
некоторой степени характеризует свойства исходных оксидов. Усадка оксидов зависит в основном от дисперсности частиц и дефектности их кристаллической решетки, а также от наличия примесей. 

1.3. Аппаратура для определения характеристик 
порошков 

1.3.1. Подготовка сырья 

Различные партии сырья и даже различные упаковки одной партии могут отличаться по влажности, дисперсности, содержанию 
примесей. 

Исходные материалы просеивают (с целью разделения частиц материала на фракции по размерам), усредняют (перемешивают отдельные партии материала для получения укрупненной партии с однородными свойствами), просушивают (если сырье повышенной 
влажности), проводят химический анализ для определения содержания основного вещества. 
Поскольку сырые материалы, используемые для изготовления 
ферритов, содержат относительно мало примесей, допустимо определять содержание основного вещества прокаливания пробы 
(25…100 г) при T = 1100…1150 °C. При этой температуре большинство примесей полностью разлагается. Прокаливание проводят в корундовых или фарфоровых тиглях, предварительно прокаленных при 
Т = 1150 °C до постоянной массы. Исключение составляют соли марганца, которые после прокаливания превращаются в гаусманит 
Mn3O4 (при этом из сырья улетучиваются влага, сернистые газы, летучие примеси). Чтобы определить содержание в солях марганца основного вещества в виде MnO, необходимо массу гаусманита, полученного в результате прокаливания, умножить на 0,93. Образовавшийся при температуре выше 1100 °C гаусманит может при охлаждении окислиться кислородом воздуха до Mn2O3. Во избежание этого 
тигли, используемые при прокаливании анализируемых солей и 
окcидов марганца, необходимо плотно закрывать. 

1.3.2. Определение содержания основного вещества 
в исходном сырье 

Порошки характеризуются содержанием основных компонентов и 
содержанием примесей или загрязнений. Содержание основных компонентов в ферритовых порошках зависит от их содержания в исходном сырье. Поэтому перед смешением оксидов необходимо проводить химический анализ на содержание основных компонентов в 
сырье. 
На основании данных химического анализа проводят перерасчет 
весового количества материалов, необходимых для получения феррита определенной марки. Расчет навески производят по формуле 

 
P
p
B
α
=
, 
 (1.2) 

где p – масса данного компонента шихты, кг; 
α – содержание оксида в шихте по рецепту, % масс.;  

P – масса смеси оксидов, кг; 
B – содержание оксида в исходном сырье по данным химического анализа, % масс. 

Исходные материалы взвешиваются с точностью до 0,1…0,2 %, 
после чего проводится смешение смеси оксидов. 

1.3.3. Определение гранулометрического состава 
порошка ситовым методом 

Ситовой анализ наиболее прост и распространен для определения 
гранулометрического состава грубых и средних порошков. Ситовой 
анализ проводят в специальном приборе с комплектом сит с различной величиной отверстий. Сита устанавливаются таким образом, что 
сверху вниз размер отверстий уменьшается, набор сит заканчивается 
поддоном. Применяются наборы стандартных сит, составленные по 
определенному закону. Имеется несколько ситовых шкал. 
Для определения гранулометрического состава принята стандартная шкала сеток (сит) с квадратными ячейками по ГОСТ 3584–53. 
Каждый номер сетки (сита) соответствует номинальному размеру 
стороны ячейки в свету в микрометрах. Недостатком этой системы 
является отсутствие определенной зависимости между смежными 
ситами во всей серии. 
В США (стандарт Тейлора) за основу принято сито с размером 
отверстий в свету 0,074 мм. Различают основной ряд сит с модулем 

2
1,414
=
 и дополнительный с модулем 4 2
1,189
=
 (модулем называется постоянное отношение размеров отверстий двух сит, смежных 
в наборе). Размер любого сита является кратным 0,074 мм. Например, размер следующего за основным более крупного сита составляет 0,074
2
0,104
⋅
=
, затем 0,104
2
0,147
⋅
=
мм и т.д. Для вычисления размера отверстий сит дополнительного ряда пользуются модулем 4 2 . Диаметр проволоки каждого сита равен размеру отверстий, 
который определяют по формуле 

 
25,4
2
d
z
=
, 
 (1.3) 

где z − число отверстий (меш) на 1 линейный дюйм (25,4 мм) сита. 

Например, для сита 200 меш размер отверстий определяется как 

25,4
0,0635 мм
63,5 мкм.
2 200
a =
=
=
⋅
 
 (1.4) 

Зависимость между размерами отверстий, диаметром проволоки, 
числом меш и живым сечением сетки (относительной площадью отверстий) с квадратными отверстиями выражается как 

 
25,4
z
a
d
=
+
; 
 (1.5) 

 
2

c
0,155 (25,4
)
S
zd
=
⋅
−
, 
 (1.6) 

где a − размер отверстий, мм; 
d − диаметр проволоки, мм; 
Sc − живое сечение сита, %. 

Благодаря простоте и быстроте выполнения ситовой анализ является основным методом контроля зернистости в порошковой металлургии. Существенным недостатком этого метода является то, что 
минимальный размер отверстия в сетках составляет 40 мкм, т.е. тонкие порошки не поддаются ситовому анализу. Кроме того, форма 
частиц может внести ошибки в результаты ситового анализа: тарельчатые частицы задерживаются на сите с размером ячейки больше их 
поперечника, а вытянутые иглообразные частицы проходят через 
сито с отверстиями меньше их длины. 
Для проведения ситового анализа берется навеска исследуемого 
порошка массой 100 г и просеивается в течение 10…20 мин через 
набор сит с последовательно уменьшающимися размерами ячейки. 
Набор сит встряхивается с помощью вибратора или вручную, в результате происходит разделение порошка на фракции. 
После просеивания порошок, оставшийся на каждом из сит, аккуратно собирается и взвешивается. Так как в процессе работы неизбежна потеря порошка, то в дальнейших расчетах рекомендуется использовать не массу первичной навески P, а сумму масс порошка, 
оставшегося на ситах: 

 
1
1
2
...
n
P
m
m
m
=
+
+
+
, 
 (1.7) 

где mi – масса порошка, оставшегося на i-м сите. 

Результаты измерений представляются в виде табл. 1.1 с указанием ячеек двух сит, между которыми находится каждая навеска порошка, и процентного содержания каждой фракции. 

Таблица 1.1 

Результаты ситового анализа 

Размер сита 

–d1max 
+d2min 

Масса 
фракции 
на сите a1 

Процент каждой фракции 

1
2

100
(
)
i
i

n

m
F m
m
m
m

⋅
=
+
+
 

–0,125 мм 
+0,105 мм 
10 г 
15 % 

Фракция порошка, оставшаяся на сите 01, но прошедшая через 
более крупное сито 0125, обозначается –0125+01 или –125+100 мкм. 
Наиболее наглядным является представление результатов в виде 
графика, по вертикальной оси которого отложено процентное содержание каждой фракции 

 

1
2

100
(
)
i
i

n

m
F m
m
m
m

⋅
=
+
+
, 
 (1.8) 

а по горизонтальной – средний размер зерна каждой фракции 

 
min
max

ср
2
d
d
d
+
=
, 
 (1.9) 

где F(mi) − содержание i-й фракции, %; 
dmin и dmax – максимальный и минимальный размер частиц данной 
фракции. 

В табл. 1.2 приведены характеристики сит для ситового анализа 
порошков, применяющихся в РФ, США и Англии. 

Таблица 1.2 

Проволочные сита, принятые в СССР, США и Англии 

СССР, ГОСТ 3584–53 
США 
Англия 

Номер 
сетки 
Размер 
стороны 
ячейки в 
свету, 
мкм 

Диаметр 
проволоки, мкм 

Примерное число меш 

Номер 
сетки 
Размер 
стороны 
ячейки в 
свету, 
мкм 

Номер 
сетки 
Размер 
стороны 
ячейки в 
свету, 
мкм 

08 
800 
300 
20 
− 
− 
− 
− 

05 
500 
220 
30 
− 
− 
− 
− 

045 
450 
180 
40 
− 
− 
− 
− 

0315 
315 
140 
50 
− 
− 
− 
−