YIG 磁光陶瓷燒結研究進展

滿 魁

（東北大學材料科學與工程學院，沈陽 110000）

1 引言

光在通過具有磁矩物體的過程中，在磁場的影響下，光的傳輸特性會隨著物質的電磁特性發生改變，這種光學與磁性之間相互影響的現象稱為磁光效應［1］。磁光材料是指在可見和紅外光波段具有磁光效應的光信息功能材料［2］。隨著20 世紀中葉人們對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異性能，近些年YIG 晶體也被作為磁光材料應用在多種電磁器件中，如微波調諧器、光隔離器、電流傳感器、激光陀螺等［4］。由于陶瓷材料自身強度高、可塑性好、易加工成型、成本低等優點，所以人們逐漸把目光放在了YIG 多晶陶瓷材料的研究上。對于YIG 陶瓷的研究是從20 世紀80 年代開始的，結合陶瓷材料理論研究和制備手段的不斷進步和完善，學者們對YIG 多晶陶瓷材料的相變機制和燒結工藝的研究也在不斷發展。

2 YIG 多晶陶瓷的研究進展

2.1 YIG 陶瓷燒結相變機制

YIG 為石榴石相，體心立方結構，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］，而它的存在會降低磁光性能。

20 世紀80 年代，便開始了對YIG 晶體內部燒結機制的研究［6］。在大多數陶瓷材料中，反應動力學通常是通過氧化物之間陽離子的熱擴散而形成的。同樣，在YIG 陶瓷材料中，石榴石相的形成也來自密切接觸的固體顆粒間的固-固反應［7］。之后進一步的研究表明，YIG 相變傳質過程僅由Fe3+這一種金屬陽離子所控制［8］，YIG 形成經歷以下過程：

近幾年，Fahmin 團隊又進行了比較系統的研究：在固相法合成時，YIG 相變溫度需要達到1150°C，而完全相變則需要在1420℃下，超過6h 的保溫時間［9，10］，而且晶粒的尺寸減小，Fe3+到Y2O3的擴散間距縮短，使得鈣鈦礦相向石榴石相的轉變更完全［11］。

2.2 YIG 陶瓷燒結工藝的研究

作為傳統陶瓷的制備過程中最重要的步驟之一，燒結決定著陶瓷的微觀結構演變和致密化過程。

2.2.1 常壓燒結工藝

上述提到，YIG 陶瓷最早進行的燒結方式為常壓燒結，流程為將粉體進行干壓成型后，在空氣氛圍中燒結，在較高的燒結溫度下獲得YIG 陶瓷。在此基礎上，加入合適的燒結助劑，如LiBZn 玻璃相［12］，可以降低YIG 的相變溫度；或者控制過量的Fe3+，可以促進高溫時的擴散過程，提高燒結性能［13］。近年來，常壓燒結又有了進一步的優化，Chen［14］等采用兩步燒結工藝（TSS）制備出了晶粒細小、微觀結構均勻的YIG 陶瓷，其燒結性能良好，且具有良好的磁學性能。

2.2.2 熱壓燒結工藝

在燒結過程中給樣品施加額外壓力，便是熱壓燒結工藝。YIG 陶瓷的熱壓工藝始于20 世紀80 年代，最早為防止高溫下Fe 與石墨模具直接接觸發生反應，在YIG 坯體周圍包裹上一層Al2O3粉體，可起到保護作用［15］。而之后的研究將石墨模具更換為Al2O3模具，在真空熱壓爐內進行高溫高壓下燒結，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 新型燒結工藝發展

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

20 世紀伊始，微波燒結（MS）應用于YIG 燒結工藝過程中，由于其低的活化能Ea，可以在短時間內實現快速燒結，從而實現YIG 陶瓷的致密化［18］。隨后，由于燒結設備的一代代更迭，YIG 陶瓷的燒結工藝也在不斷改進：放電等離子燒結（SPS）因有快速燒結（燒結時間為15min）、燒結溫度低（750℃）、能耗低的優點，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 的光波長范圍內透過率為77%，與商業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，為其在光學通信和醫療領域的應用提供了理論支持。

3 發展展望

YIG 多晶陶瓷有可以與單晶媲美的磁學和光學特性，將來的研究趨勢不但要通過優化YIG 粉體、陶瓷制備工藝和燒結工藝來提高YIG 陶瓷的光學性能，而且要使得其形狀、大小都易于控制，降低成本損耗。隨著納米科技的進步和磁光學研究的不斷發展，未來YIG 磁光陶瓷材料可能會在光纖通信、軍事航空、生物醫學領域有更為廣泛的應用。