CN116535205A - 一种激光照明用双层复合结构荧光陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光照明用双层复合结构荧光陶瓷材料及其制备方法,所述荧光陶瓷材料为Y3Al5O12:0.2at.%Ce3+黄色陶瓷和Mg2Al4Si5O18:xEu2+红色陶瓷的双层复合结构,其中x表示质量百分比,并且0.005≤x≤0.020,采用玻璃晶化法进行复合和制备。相较于目前商用Y3Al5O12:Ce3+荧光材料,本发明所得的双层复合荧光陶瓷结构材料,在450nm蓝色激光芯片激发下,当激光激励功率密度为2.5W/mm2时,光通量为450~550lm,最大发光效率为150~200lm/W,色温为5200~5800K,显色指数为84~88,在230℃其发光强度仍保持室温下的79~88%,且优于绝大部分的玻璃陶瓷复合荧光材料,适合于未来大功率和高亮度激光照明,且工艺简单,可应用于工业化生产。

Description

一种激光照明用双层复合结构荧光陶瓷材料及其制备方法
技术领域
本发明属于稀土发光材料技术领域,具体涉及一种激光照明用双层复合结构荧光陶瓷材料及其制备方法。
背景技术
激光照明具有超高亮度和超大功率,是未来新一代半导体照明技术。然而,目前传统“YAG:Ce+3荧光粉+有机涂覆层”的方案在高功率下极易色度漂移、光衰甚至高温碳化而失效,无法满足超大功率激光照明的需求。
相较于单晶和玻璃,荧光陶瓷材料具有高热导、低成本、结构设计灵活等突出优势,成为最具潜力的稀土激光荧光材料。然而,白光激光照明同样存在着和白光LED照明同样的问题,即光谱中缺乏青光和红光成分,往往造成低的显色指数(CRI<65)和高的色温(CCT>7500K),从而无法获得高质量白光光源。
针对上述问题,目前有效的方案有:第一种是通过在YAG陶瓷基质中同时掺入黄色和红色发光离子,从而补充红色发光,获得高显色指数,然而其存在发光离子间的能量传递,造成降低光效而提升显色指数的问题;第二种是通过将黄色YAG:Ce+3荧光材料和红色荧光材料共同封装的方式来获得高质量白光,但仍然存在不同荧光粉之间的重吸收,从而导致发光效率降低,此外通过有机树脂或玻璃材料封装两种荧光材料,同样由于封装材料本身低热导率,往往容易受到热猝灭影响,造成发光参数变化,造成白光质量恶化,从而限制了其白色激光照明器件的实际应用。
因此,如何实现在提升显色指数的同时,避免不同荧光离子的能量传递和重吸收,以及提高荧光基质的热导率,进而提升发光热稳定性能和抗激光辐照性能,实现超大功率的高亮度激光照明,成为了目前亟需解决的关键科学技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光照明用双层复合结构荧光陶瓷材料,其获得的荧光陶瓷材料为黄色Y3Al5O12:Ce3+和红色Mg2Al4Si5O18:Eu2+的双层复合荧光陶瓷结构材料,并且同时具有高显色指数、高光效和较低的色温。
本发明的另一个目的是提供一种上述复合荧光陶瓷的制备方法,该方法可实现不同陶瓷基质间良好连接和复合,且工艺简单,成本较低,可实现工业化生产。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
一方面,本发明提供一种激光照明用双层复合结构荧光陶瓷材料,所述荧光陶瓷材料为Y3Al5O12:0.2at.%Ce3+(YAG)黄色陶瓷和Mg2Al4Si5O18:xEu2+(MAS)红色陶瓷的双层复合结构,其中x表示质量百分比,并且0.005≤x≤0.020。
本发明的双层复合荧光陶瓷结构材料在450nm蓝色激光芯片激发下,当激光激励功率密度为2.5W/mm2时,光通量为450~550lm,最大发光效率为150~200lm/W,色温为5200~5800K,显色指数为84~88,在230℃其发光强度仍保持其室温下的79~88%,优于绝大部分的玻璃陶瓷复合荧光材料。
另一方面,本发明提供上述激光照明用双层复合结构荧光陶瓷材料的制备方法,采用玻璃晶化法进行复合和制备,具体步骤包括以下两部分:
第一部分,获得YAG黄色荧光陶瓷:
(a)按照化学式YAG:0.2at.%Ce3+称量纯度均大于99.99%的Y2O3、Al2O3、CeO2粉末原料,将粉末混合物置于球磨罐中,加入磨球和酒精,并加入镁/硅助剂,球磨混合均匀后烘干,得到混合粉体A;
(b)将混合粉体A先经干压成型,再经冷等静压成型,获得素坯;
(c)将素坯置于真空炉内进行烧结,再将烧结后样品置于马弗炉内进行空气退火,获得YAG黄色荧光陶瓷;
第二部分,获得黄色YAG和红色MAS双层复合结构荧光陶瓷材料:
(a’)按照质量比22wt.%MgO-28wt.%Al2O3-50wt.%SiO2-xwt.%Eu2+称量纯度均大于99.99%的MgO、Al2O3、SiO2和Eu2O3粉末原料,将粉末混合物置于球磨罐中,加入磨球和酒精,球磨混合均匀后烘干,得到混合粉体B,其中x表示质量百分比,并且0.005≤x≤0.020;
(b’)将混合粉体B置于氧化铝坩埚内,并放入升降炉中,对混合粉体升温直至完全融化,使用石英棒对熔融液搅拌;
(c’)将第一部分获得YAG黄色荧光陶瓷置于铜模底部,并进行预热,然后将MAS玻璃熔融液从升降炉转出,并倾倒在预热的铜模内,获得MAS玻璃/YAG陶瓷的双层复合材料,并将其置于马弗炉内进行退火处理;
(d’)将退火后的MAS玻璃/YAG陶瓷置于马弗炉内进行晶化处理,获得红色MAS陶瓷+黄色YAG陶瓷的双层复合结构材料。
优选的,步骤(a)中,镁/硅助剂添加量为0.05~0.15wt.%,球磨时间10~15h,球磨转速为180~206r/min,球料比为1:1。
优选的,步骤(b)中,干压成型压力为40~60MPa,冷等静压成型压力为300~380MPa。
优选的,步骤(c)中,真空烧结温度为1760~1800℃,保温时间为6~10h,其空气退火温度为1500~1580℃,保温时间8~12h。
优选的,步骤(a’)中,球磨时间15~17h,球磨转速为200r/min,球料比为1.2:1。
优选的,步骤(b’)中,融化温度为1550~1650℃,保温时间2~4h,搅拌次数为2次。
优选的,步骤(c’)中,铜板预热温度为300~500℃,退火温度为700~800℃,保温时间6~10h。
优选的,步骤(d’)中,晶化处理温度为1050~1150℃,晶化时间为10~30min。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
1、本发明所得的双层复合荧光陶瓷结构材料,在450nm蓝色激光芯片激发下,当激光激励功率密度为2.5W/mm2时,光通量为450~550lm,最大发光效率为150~200lm/W,色温为5200~5800K,显色指数为84~88,相较于目前商用的YAG:Ce3+荧光粉(显色指数65),得到了显著的提高,特别是其发光强度在230℃,仍保持其室温下的79~88%,且优于绝大部分的玻璃陶瓷复合荧光材料。
2、本发明的双层复合荧光陶瓷结构设计能使Ce3+和Eu2+分别存在于Y3Al5O12和Mg2Al4Si5O18陶瓷基质内,避免了发光粒子间能量传递和重吸收现象,使得双层复合荧光陶瓷能够获得较高的发光效率。此外,本发明的发光离子的基质都为陶瓷材料,具有较高的热导率,适合于未来大功率和高亮度激光照明。
3、本发明利用玻璃晶化法实现双层荧光陶瓷材料的连接和复合,工艺简单,无需有机物和玻璃再进行黏连,对粉体、成型和烧结设备要求低,制备周期短,经济效益明显,绿色环保,可应用于工业化生产。
附图说明
图1为本发明使用的铜模结构示意图,图中,1-铜模,2-黄色YAG荧光陶瓷,3-MAS玻璃熔融液,4-电阻丝;
图2为本发明实施例1的MAS:1.5wt.%Eu2+玻璃和MAS:1.5wt.%Eu2+陶瓷的XRD图谱;
图3为本发明实施例1~4制备样品在450nm激光激发下的发射光谱;
图4为本发明实施例1~4制备样品的色坐标图;
图5为本发明实施例1制备样品的发光强度随温度的变化。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明使用自制铜模,如图1所示,铜模设有凹腔,所述凹腔的截面为圆形,凹腔的直径和YAG黄色荧光陶瓷圆片的直径相适应,铜模内底部集成了电阻丝4,可外部实现25℃~600℃预热控温。
实施例1:制备YAG:0.2at.%Ce3+/MAS:1.5wt.%Eu2+双层复合结构荧光陶瓷
第一部分为获得YAG黄色荧光陶瓷,将纯度均大于99.99%的Y2O3、Al2O3、CeO2粉末原料置于氧化铝陶瓷罐中,按照球料比为1:1,加入高纯氧化铝球和酒精,加入0.1wt.%镁/硅助剂,球磨时间10h,球磨转速为180r/min,然后经烘干,得到混合粉体;将混合粉体先以55MPa干压成型,再经360MPa冷等静压成型,获得直径20mm、厚度4mm的圆片;接着将样品置于真空炉内,在1780℃下保温7h,进行烧结,再将烧结后样品置于马弗炉内在1560℃,保温时间9h进行空气退火,获得YAG黄色荧光陶瓷。
第二部分为获得黄色YAG和红色MAS双层复合结构荧光陶瓷材料,按照质量比将纯度均大于99.99%的MgO、Al2O3、SiO2和Eu2O3粉末原料置于氧化铝陶瓷罐中,按照球料比为1:1.2,加入高纯氧化铝球和酒精,球磨时间16h,球磨转速为200r/min,然后经烘干,得到混合粉体;接着将混合粉体置于氧化铝坩埚内,并放入升降炉中,对混合粉体升温至1620℃,保温2.5h,直至完全融化,期间使用石英棒对熔融液进行两次搅拌;如图1所示,将第一部分获得黄色YAG荧光陶瓷2置于特制的铜模1底部,并通过内置电阻丝4在450℃进行提前预热,然后将MAS玻璃熔融液3从升降炉转出,并倾倒在预热的铜模1内,获得MAS玻璃/YAG陶瓷的双层复合材料,并将其置于马弗炉内在780℃保温9h,进行退火处理;最后将退火后的MAS玻璃+YAG陶瓷置于马弗炉内在1120℃保温15min,进行晶化处理,获得红色MAS陶瓷/黄色YAG陶瓷的双层复合结构材料。
图2是实施例1中MAS:1.5wt.%Eu2+玻璃和陶瓷材料的XRD图谱,由图2可知通过玻璃晶化方法,能使MAS玻璃通过热处理晶化获得堇青石相的MAS陶瓷。图3和图4分别展示了YAG:0.2at.%Ce3++MAS:1.5wt.%Eu2+双层复合结构荧光陶瓷的在450nm激光激发下的发射光谱和色坐标图,其中激光激励功率密度为2.5W/mm2,发射光谱覆盖450~750nm,显色指数为88,色温为5200K,光通量为550lm,最大发光效率为200lm/W。图5还展示了实施例1所获得的样品发光强度随温度的变化,从室温到230℃,其相对发光强度仍保持80%,表明该复合荧光陶瓷材料具有良好的热稳定性。
实施例2:制备YAG:0.2at.%Ce3+/MAS:0.5wt.%Eu2+双层复合结构荧光陶瓷
第一部分为获得YAG黄色荧光陶瓷,将纯度均大于99.99%的Y2O3、Al2O3、CeO2粉末原料置于氧化铝陶瓷罐中,按照球料比为1:1,加入高纯氧化铝球和酒精,加入0.05wt.%镁/硅助剂,球磨时间11h,球磨转速为190r/min,然后经烘干,得到混合粉体;将混合粉体先以40MPa干压成型,再经300MPa冷等静压成型,获得直径20mm、厚度4mm的圆片;接着将样品置于真空炉内,在1760℃下保温10h,进行烧结,再将烧结后样品置于马弗炉内在1500℃,保温时间12h进行空气退火,获得YAG黄色荧光陶瓷。
第二部分为获得黄色YAG和红色MAS双层复合结构荧光陶瓷材料,按照质量比将纯度均大于99.99%的MgO、Al2O3、SiO2和Eu2O3粉末原料置于氧化铝陶瓷罐中,按照球料比为1:1.2,加入高纯氧化铝球和酒精,球磨时间15h,球磨转速为200r/min,然后经烘干,得到混合粉体;接着将混合粉体置于氧化铝坩埚内,并放入升降炉中,对混合粉体升温至1550℃,保温4h,直至完全融化,期间使用石英棒对熔融液进行2次搅拌;如图1所示,将第一部分获得黄色YAG荧光陶瓷2置于特制的铜模1底部,并通过内置电阻丝4在300℃进行提前预热,然后将MAS玻璃熔融液3从升降炉转出,并倾倒在预热的铜模1内,获得MAS玻璃/YAG陶瓷的双层复合材料,并将其置于马弗炉内在700℃保温10h,进行退火处理;最后将退火后的MAS玻璃+YAG陶瓷置于马弗炉内在1050℃保温30min,进行晶化处理,获得红色MAS陶瓷/黄色YAG陶瓷的双层复合结构材料。
实施例2中MAS:0.5wt.%Eu2+玻璃和陶瓷材料的XRD图谱与图1相似,晶化前为非晶相,晶化后为堇青石相。图3和图4分别展示了YAG:0.2at.%Ce3++MAS:0.5wt.%Eu2+双层复合结构荧光陶瓷的在450nm激光激发下的发射光谱和色坐标图,其中激光激励功率密度为2.5W/mm2,发射光谱覆盖450~750nm,显色指数为84,色温为5800K,光通量为450lm,最大发光效率为150lm/W。实例2中样品发光强度随温度的变化,从室温到230℃,其相对发光强度仍保持88%,表明该复合荧光陶瓷材料具有良好的热稳定性。
实施例3:制备YAG:0.2at.%Ce3+/MAS:1.0wt.%Eu2+双层复合结构荧光陶瓷
第一部分为获得YAG黄色荧光陶瓷,将纯度均大于99.99%的Y2O3、Al2O3、CeO2粉末原料置于氧化铝陶瓷罐中,按照球料比为1:1,加入高纯氧化铝球和酒精,加入0.07wt.%镁/硅助剂,球磨时间13h,球磨转速为200r/min,然后经烘干,得到混合粉体;将混合粉体先以50MPa干压成型,再经340MPa冷等静压成型,获得直径20mm、厚度4mm的圆片;接着将样品置于真空炉内,在1770℃下保温8h,进行烧结,再将烧结后样品置于马弗炉内在1540℃,保温时间10h进行空气退火,获得YAG黄色荧光陶瓷。
第二部分为获得黄色YAG和红色MAS双层复合结构荧光陶瓷材料,按照质量比将纯度均大于99.99%的MgO、Al2O3、SiO2和Eu2O3粉末原料置于氧化铝陶瓷罐中,按照球料比为1:1.2,加入高纯氧化铝球和酒精,球磨时间16h,球磨转速为200r/min,然后经烘干,得到混合粉体;接着将混合粉体置于氧化铝坩埚内,并放入升降炉中,对混合粉体升温至1600℃,保温3h,直至完全融化,期间使用石英棒对熔融液进行2次搅拌;如图1所示,将第一部分获得黄色YAG荧光陶瓷2置于特制的铜模1底部,并通过内置电阻丝4在400℃进行提前预热,然后将MAS玻璃熔融液3从升降炉转出,并倾倒在预热的铜模1内,获得MAS玻璃/YAG陶瓷的双层复合材料,并将其置于马弗炉内在750℃保温8h,进行退火处理;最后将退火后的MAS玻璃/YAG陶瓷置于马弗炉内在1080℃保温20min,进行晶化处理,获得红色MAS陶瓷/黄色YAG陶瓷的双层复合结构材料。
实施例3中MAS:1.0wt.%Eu2+玻璃和陶瓷材料的XRD图谱与图1相似,晶化前为非晶相,晶化后为堇青石相。图3和图4分别展示了YAG:0.2at.%Ce3++MAS:1.0wt.%Eu2+双层复合结构荧光陶瓷的在450nm激光激发下的发射光谱和色坐标图,其中激光激励功率密度为2.5W/mm2,发射光谱覆盖450~750nm,显色指数为86,色温为5680K,光通量为465lm,最大发光效率为168lm/W。实施例3中样品发光强度随温度的变化,从室温到230℃,其相对发光强度仍保持84%,表明该复合荧光陶瓷材料具有良好的热稳定性。
实施例4:制备YAG:0.2at.%Ce3+/MAS:2.0wt.%Eu2+双层复合结构荧光陶瓷
第一部分为获得YAG黄色荧光陶瓷,将纯度均大于99.99%的Y2O3、Al2O3、CeO2粉末原料置于氧化铝陶瓷罐中,按照球料比为1:1,加入高纯氧化铝球和酒精,加入0.15wt.%镁/硅助剂,球磨时间15h,球磨转速为206r/min,然后经烘干,得到混合粉体;将混合粉体先以60MPa干压成型,再经380MPa冷等静压成型,获得直径20mm、厚度4mm的圆片;接着将样品置于真空炉内,在1800℃下保温6h,进行烧结,再将烧结后样品置于马弗炉内在1580℃,保温时间8h进行空气退火,获得YAG黄色荧光陶瓷。
第二部分为获得黄色YAG和红色MAS双层复合结构荧光陶瓷材料,按照质量比将纯度均大于99.99%的MgO、Al2O3、SiO2和Eu2O3粉末原料置于氧化铝陶瓷罐中,按照球料比为1:1.2,加入高纯氧化铝球和酒精,球磨时间17h,球磨转速为200r/min,然后经烘干,得到混合粉体;接着将混合粉体置于氧化铝坩埚内,并放入升降炉中,对混合粉体升温至1650℃,保温2h,直至完全融化,期间使用石英棒对熔融液进行2次搅拌;如图1所示,将第一部分获得黄色YAG荧光陶瓷2置于特制的铜模1底部,并通过内置电阻丝4在500℃进行提前预热,然后将MAS玻璃熔融液3从升降炉转出,并倾倒在预热的铜模1内,获得MAS玻璃/YAG陶瓷的双层复合材料,并将其置于马弗炉内在800℃保温6h,进行退火处理;最后将退火后的MAS玻璃+YAG陶瓷置于马弗炉内在1150℃保温10min,进行晶化处理,获得红色MAS陶瓷/黄色YAG陶瓷的双层复合结构材料。
实施例4中MAS:0.5wt.%Eu2+玻璃和陶瓷材料的XRD图谱与图1相似,晶化前为非晶相,晶化后为堇青石相。图3和图4分别展示了YAG:0.2at.%Ce3++MAS:2.0wt.%Eu2+双层复合结构荧光陶瓷的在450nm激光激发下的发射光谱和色坐标图,其中激光激励功率密度为2.5W/mm2,发射光谱覆盖450~750nm,显色指数为87,色温为5350K,光通量为520lm,最大发光效率为185lm/W。实施例4中样品发光强度随温度的变化,从室温到230℃,其相对发光强度仍保持79%,表明该复合荧光陶瓷材料具有良好的热稳定性。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种激光照明用双层复合结构荧光陶瓷材料,其特征在于,所述荧光陶瓷材料为Y3Al5O12:0.2at.%Ce3+黄色陶瓷和Mg2Al4Si5O18:xEu2+红色陶瓷的双层复合结构,其中x表示质量百分比,并且0.005≤x≤0.020。
2.一种根据权利要求1所述的激光照明用双层复合结构荧光陶瓷材料的制备方法,其特征在于,采用玻璃晶化法进行复合和制备,具体步骤包括以下两部分:
第一部分,获得YAG黄色荧光陶瓷:
(a)按照化学式YAG:0.2at.%Ce3+称量纯度均大于99.99%的Y2O3、Al2O3、CeO2粉末原料,将粉末混合物置于球磨罐中,加入磨球和酒精,并加入镁/硅助剂,球磨混合均匀后烘干,得到混合粉体A;
(b)将混合粉体A先经干压成型,再经冷等静压成型,获得素坯;
(c)将素坯置于真空炉内进行烧结,再将烧结后样品置于马弗炉内进行空气退火,获得YAG黄色荧光陶瓷;
第二部分,获得黄色YAG和红色MAS双层复合结构荧光陶瓷材料:
(a’)按照质量比22wt.%MgO-28wt.%Al2O3-50wt.%SiO2-xwt.%Eu2+称量纯度均大于99.99%的MgO、Al2O3、SiO2和Eu2O3粉末原料,将粉末混合物置于球磨罐中,加入磨球和酒精,球磨混合均匀后烘干,得到混合粉体B,其中x表示质量百分比,并且0.005≤x≤0.020;
(b’)将混合粉体B置于氧化铝坩埚内,并放入升降炉中,对混合粉体升温直至完全融化,使用石英棒对熔融液搅拌;
(c’)将第一部分获得YAG黄色荧光陶瓷置于铜模底部,并进行预热,然后将MAS玻璃熔融液从升降炉转出,并倾倒在预热的铜模内,获得MAS玻璃/YAG陶瓷的双层复合材料,并将其置于马弗炉内进行退火处理;
(d’)将退火后的MAS玻璃/YAG陶瓷置于马弗炉内进行晶化处理,获得红色MAS陶瓷+黄色YAG陶瓷的双层复合结构材料。
3.根据权利要求2所述的激光照明用双层复合结构荧光陶瓷材料的制备方法,其特征在于,步骤(a)中,镁/硅助剂添加量为0.05~0.15wt.%,球磨时间10~15h,球磨转速为180~206r/min,球料比为1:1。
4.根据权利要求2所述的激光照明用双层复合结构荧光陶瓷材料的制备方法,其特征在于,步骤(b)中,干压成型压力为40~60MPa,冷等静压成型压力为300~380MPa。
5.根据权利要求2所述的激光照明用双层复合结构荧光陶瓷材料的制备方法,其特征在于,步骤(c)中,真空烧结温度为1760~1800℃,保温时间为6~10h,其空气退火温度为1500~1580℃,保温时间8~12h。
6.根据权利要求2所述的激光照明用双层复合结构荧光陶瓷材料的制备方法,其特征在于,步骤(a’)中,球磨时间15~17h,球磨转速为200r/min,球料比为1.2:1。
7.根据权利要求2所述的激光照明用双层复合结构荧光陶瓷材料的制备方法,其特征在于,步骤(b’)中,融化温度为1550~1650℃,保温时间2~4h,搅拌次数为2次。
8.根据权利要求2所述的激光照明用双层复合结构荧光陶瓷材料的制备方法,其特征在于,步骤(c’)中,铜板预热温度为300~500℃,退火温度为700~800℃,保温时间6~10h。
9.根据权利要求2所述的激光照明用双层复合结构荧光陶瓷材料的制备方法,其特征在于,步骤(d’)中,晶化处理温度为1050~1150℃,晶化时间为10~30min。
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