YIG 磁光陶瓷燒結(jié)研究進(jìn)展

滿 魁

（東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110000）

1 引言

光在通過具有磁矩物體的過程中，在磁場(chǎng)的影響下，光的傳輸特性會(huì)隨著物質(zhì)的電磁特性發(fā)生改變，這種光學(xué)與磁性之間相互影響的現(xiàn)象稱為磁光效應(yīng)［1］。磁光材料是指在可見和紅外光波段具有磁光效應(yīng)的光信息功能材料［2］。隨著20 世紀(jì)中葉人們對(duì)YIG 材料的研究［3］，其制備方法逐漸成熟。由于YIG 材料具有可控的飽和磁化強(qiáng)度、較窄的鐵磁共振線寬和在紅外波段具有良好的透光性等優(yōu)異性能，近些年YIG 晶體也被作為磁光材料應(yīng)用在多種電磁器件中，如微波調(diào)諧器、光隔離器、電流傳感器、激光陀螺等［4］。由于陶瓷材料自身強(qiáng)度高、可塑性好、易加工成型、成本低等優(yōu)點(diǎn)，所以人們逐漸把目光放在了YIG 多晶陶瓷材料的研究上。對(duì)于YIG 陶瓷的研究是從20 世紀(jì)80 年代開始的，結(jié)合陶瓷材料理論研究和制備手段的不斷進(jìn)步和完善，學(xué)者們對(duì)YIG 多晶陶瓷材料的相變機(jī)制和燒結(jié)工藝的研究也在不斷發(fā)展。

2 YIG 多晶陶瓷的研究進(jìn)展

2.1 YIG 陶瓷燒結(jié)相變機(jī)制

YIG 為石榴石相，體心立方結(jié)構(gòu)，在一定溫度下，存在晶體的相變過程，過渡相中最典型的為鈣鈦礦相（YFeO3，YIP）［5］，而它的存在會(huì)降低磁光性能。

20 世紀(jì)80 年代，便開始了對(duì)YIG 晶體內(nèi)部燒結(jié)機(jī)制的研究［6］。在大多數(shù)陶瓷材料中，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)通常是通過氧化物之間陽(yáng)離子的熱擴(kuò)散而形成的。同樣，在YIG 陶瓷材料中，石榴石相的形成也來(lái)自密切接觸的固體顆粒間的固-固反應(yīng)［7］。之后進(jìn)一步的研究表明，YIG 相變傳質(zhì)過程僅由Fe3+這一種金屬陽(yáng)離子所控制［8］，YIG 形成經(jīng)歷以下過程：

近幾年，F(xiàn)ahmin 團(tuán)隊(duì)又進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究：在固相法合成時(shí)，YIG 相變溫度需要達(dá)到1150°C，而完全相變則需要在1420℃下，超過6h 的保溫時(shí)間［9，10］，而且晶粒的尺寸減小，F(xiàn)e3+到Y(jié)2O3的擴(kuò)散間距縮短，使得鈣鈦礦相向石榴石相的轉(zhuǎn)變更完全［11］。

2.2 YIG 陶瓷燒結(jié)工藝的研究

作為傳統(tǒng)陶瓷的制備過程中最重要的步驟之一，燒結(jié)決定著陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)演變和致密化過程。

2.2.1 常壓燒結(jié)工藝

上述提到，YIG 陶瓷最早進(jìn)行的燒結(jié)方式為常壓燒結(jié)，流程為將粉體進(jìn)行干壓成型后，在空氣氛圍中燒結(jié)，在較高的燒結(jié)溫度下獲得YIG 陶瓷。在此基礎(chǔ)上，加入合適的燒結(jié)助劑，如LiBZn 玻璃相［12］，可以降低YIG 的相變溫度；或者控制過量的Fe3+，可以促進(jìn)高溫時(shí)的擴(kuò)散過程，提高燒結(jié)性能［13］。近年來(lái)，常壓燒結(jié)又有了進(jìn)一步的優(yōu)化，Chen［14］等采用兩步燒結(jié)工藝（TSS）制備出了晶粒細(xì)小、微觀結(jié)構(gòu)均勻的YIG 陶瓷，其燒結(jié)性能良好，且具有良好的磁學(xué)性能。

2.2.2 熱壓燒結(jié)工藝

在燒結(jié)過程中給樣品施加額外壓力，便是熱壓燒結(jié)工藝。YIG 陶瓷的熱壓工藝始于20 世紀(jì)80 年代，最早為防止高溫下Fe 與石墨模具直接接觸發(fā)生反應(yīng)，在YIG 坯體周圍包裹上一層Al2O3粉體，可起到保護(hù)作用［15］。而之后的研究將石墨模具更換為Al2O3模具，在真空熱壓爐內(nèi)進(jìn)行高溫高壓下燒結(jié)，可制備出具有單一相、高致密度且磁性性能良好的多晶YIG 陶瓷［16，17］。

2.2.3 新型燒結(jié)工藝發(fā)展

除了常壓燒結(jié)和熱壓燒結(jié)，還有一些常見的燒結(jié)方法也應(yīng)用到了制備YIG 陶瓷的工藝中。

20 世紀(jì)伊始，微波燒結(jié)（MS）應(yīng)用于YIG 燒結(jié)工藝過程中，由于其低的活化能Ea，可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速燒結(jié)，從而實(shí)現(xiàn)YIG 陶瓷的致密化［18］。隨后，由于燒結(jié)設(shè)備的一代代更迭，YIG 陶瓷的燒結(jié)工藝也在不斷改進(jìn)：放電等離子燒結(jié)（SPS）因有快速燒結(jié)（燒結(jié)時(shí)間為15min）、燒結(jié)溫度低（750℃）、能耗低的優(yōu)點(diǎn)，可制備出小晶粒、磁性能良好的YIG 陶瓷［19］；熱等靜壓（HIP）工藝也是其中一種，近幾年Akio Ikesue［20］等又有了新的突破，通過HIP 手段制備的YIG 多晶陶瓷致密度接近理論值，在＞1100 nm 的光波長(zhǎng)范圍內(nèi)透過率為77%，與商業(yè)YIG 單晶接近，這是第一次成功制備出具有高紅外透過率的YIG 多晶陶瓷，為其在光學(xué)通信和醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論支持。

3 發(fā)展展望

YIG 多晶陶瓷有可以與單晶媲美的磁學(xué)和光學(xué)特性，將來(lái)的研究趨勢(shì)不但要通過優(yōu)化YIG 粉體、陶瓷制備工藝和燒結(jié)工藝來(lái)提高YIG 陶瓷的光學(xué)性能，而且要使得其形狀、大小都易于控制，降低成本損耗。隨著納米科技的進(jìn)步和磁光學(xué)研究的不斷發(fā)展，未來(lái)YIG 磁光陶瓷材料可能會(huì)在光纖通信、軍事航空、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有更為廣泛的應(yīng)用。