YIG 磁光陶瓷烧结研究进展

满 魁

（东北大学材料科学与工程学院，沈阳 110000）

1 引言

光在通过具有磁矩物体的过程中，在磁场的影响下，光的传输特性会随着物质的电磁特性发生改变，这种光学与磁性之间相互影响的现象称为磁光效应［1］。磁光材料是指在可见和红外光波段具有磁光效应的光信息功能材料［2］。随着20 世纪中叶人们对YIG 材料的研究［3］，其制备方法逐渐成熟。由于YIG 材料具有可控的饱和磁化强度、较窄的铁磁共振线宽和在红外波段具有良好的透光性等优异性能，近些年YIG 晶体也被作为磁光材料应用在多种电磁器件中，如微波调谐器、光隔离器、电流传感器、激光陀螺等［4］。由于陶瓷材料自身强度高、可塑性好、易加工成型、成本低等优点，所以人们逐渐把目光放在了YIG 多晶陶瓷材料的研究上。对于YIG 陶瓷的研究是从20 世纪80 年代开始的，结合陶瓷材料理论研究和制备手段的不断进步和完善，学者们对YIG 多晶陶瓷材料的相变机制和烧结工艺的研究也在不断发展。

2 YIG 多晶陶瓷的研究进展

2.1 YIG 陶瓷烧结相变机制

YIG 为石榴石相，体心立方结构，在一定温度下，存在晶体的相变过程，过渡相中最典型的为钙钛矿相（YFeO3，YIP）［5］，而它的存在会降低磁光性能。

20 世纪80 年代，便开始了对YIG 晶体内部烧结机制的研究［6］。在大多数陶瓷材料中，反应动力学通常是通过氧化物之间阳离子的热扩散而形成的。同样，在YIG 陶瓷材料中，石榴石相的形成也来自密切接触的固体颗粒间的固-固反应［7］。之后进一步的研究表明，YIG 相变传质过程仅由Fe3+这一种金属阳离子所控制［8］，YIG 形成经历以下过程：

近几年，Fahmin 团队又进行了比较系统的研究：在固相法合成时，YIG 相变温度需要达到1150°C，而完全相变则需要在1420℃下，超过6h 的保温时间［9，10］，而且晶粒的尺寸减小，Fe3+到Y2O3的扩散间距缩短，使得钙钛矿相向石榴石相的转变更完全［11］。

2.2 YIG 陶瓷烧结工艺的研究

作为传统陶瓷的制备过程中最重要的步骤之一，烧结决定着陶瓷的微观结构演变和致密化过程。

2.2.1 常压烧结工艺

上述提到，YIG 陶瓷最早进行的烧结方式为常压烧结，流程为将粉体进行干压成型后，在空气氛围中烧结，在较高的烧结温度下获得YIG 陶瓷。在此基础上，加入合适的烧结助剂，如LiBZn 玻璃相［12］，可以降低YIG 的相变温度；或者控制过量的Fe3+，可以促进高温时的扩散过程，提高烧结性能［13］。近年来，常压烧结又有了进一步的优化，Chen［14］等采用两步烧结工艺（TSS）制备出了晶粒细小、微观结构均匀的YIG 陶瓷，其烧结性能良好，且具有良好的磁学性能。

2.2.2 热压烧结工艺

在烧结过程中给样品施加额外压力，便是热压烧结工艺。YIG 陶瓷的热压工艺始于20 世纪80 年代，最早为防止高温下Fe 与石墨模具直接接触发生反应，在YIG 坯体周围包裹上一层Al2O3粉体，可起到保护作用［15］。而之后的研究将石墨模具更换为Al2O3模具，在真空热压炉内进行高温高压下烧结，可制备出具有单一相、高致密度且磁性性能良好的多晶YIG 陶瓷［16，17］。

2.2.3 新型烧结工艺发展

除了常压烧结和热压烧结，还有一些常见的烧结方法也应用到了制备YIG 陶瓷的工艺中。

20 世纪伊始，微波烧结（MS）应用于YIG 烧结工艺过程中，由于其低的活化能Ea，可以在短时间内实现快速烧结，从而实现YIG 陶瓷的致密化［18］。随后，由于烧结设备的一代代更迭，YIG 陶瓷的烧结工艺也在不断改进：放电等离子烧结（SPS）因有快速烧结（烧结时间为15min）、烧结温度低（750℃）、能耗低的优点，可制备出小晶粒、磁性能良好的YIG 陶瓷［19］；热等静压（HIP）工艺也是其中一种，近几年Akio Ikesue［20］等又有了新的突破，通过HIP 手段制备的YIG 多晶陶瓷致密度接近理论值，在＞1100 nm 的光波长范围内透过率为77%，与商业YIG 单晶接近，这是第一次成功制备出具有高红外透过率的YIG 多晶陶瓷，为其在光学通信和医疗领域的应用提供了理论支持。

3 发展展望

YIG 多晶陶瓷有可以与单晶媲美的磁学和光学特性，将来的研究趋势不但要通过优化YIG 粉体、陶瓷制备工艺和烧结工艺来提高YIG 陶瓷的光学性能，而且要使得其形状、大小都易于控制，降低成本损耗。随着纳米科技的进步和磁光学研究的不断发展，未来YIG 磁光陶瓷材料可能会在光纤通信、军事航空、生物医学领域有更为广泛的应用。