一种激光照明用高性能复合荧光陶瓷及其制备方法

1.本发明涉及荧光材料技术领域，具体涉及一种激光照明用高性能复合荧光陶瓷及其制备方法。


背景技术：

2.激光照明技术与led照明技术均属于固态照明技术，因具有寿命长、能耗低以及环境友好等优点，被学术和产业界认为是21世纪最具发展潜力的绿色照明光源。然而由于俄歇复合导致的效率下降现象，传统的led仅在低电流密度注入下可保持较高的发光效率，因此，只能通过增加led数量来提升整体亮度，但这种方案同时伴随着热量堆积、结构复杂、成本提升等弊端。与之相比，基于激光二极管的激光照明技术在高功率照明领域下仍能维持较高的发光效率，并兼具亮度更高、体积更小、寿命更长、探照距离更远等显著优势。
3.目前市面上常见的获得白光的方法是使用蓝色发光的二极管和黄色荧光转换材料相结合。由于高功率激光照射，为了获得良好的散热效果，荧光转换材料必须具有良好的热性能，因此荧光陶瓷收到了广泛的关注，但想要获得更好的热导率，会选择在陶瓷中掺入高导热的复相如al2o3(32-35w m-1
k-1
)、mgal2o4(22w m-1
k-1
)，mgo(47.2w m-1
k-1-53.5w m-1
k-1
)，既可以提升他们的热导率，又可以增加光散射来增加蓝光吸收。
4.不过，这种掺入二相的方法提升的热导率有限。而使用高导热的包覆材料来包裹荧光陶瓷的方法，更大程度的提升了热导率，且可以限制光的发散，起到收束的作用，十分适合应用在激光照明与显示方面。例如专利cn 111285680 a提出了一种包边结构的荧光陶瓷器件：将荧光陶瓷与非发光陶瓷分别烧结，随后组合在一起，应用在激光照明系统。但要维持荧光陶瓷稳定运行，仍需要给补充额外的散热装置；另一方面，两步烧结工艺复杂，且实现包边圆弧与圆片紧密贴合存在一定的困难，导致荧光陶瓷热量很难传导和辐射出去。


技术实现要素：

5.针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种激光照明用高性能复合荧光陶瓷及其制备方法，该复合荧光陶瓷采用包覆材料包覆荧光陶瓷，既可以实现小尺寸高亮度的要求，抗热猝灭效果优，且陶瓷散热性好，涂覆红粉后可以实现较高的显色指数。
6.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
7.本发明的一个目的是提供一种激光照明用高性能复合荧光陶瓷，采用高导热包覆材料包覆立方体ce：luag荧光陶瓷，所述立方体陶瓷边长为0.5-1mm，烧结形成块状陶瓷后涂覆有红色荧光粉，所述红色荧光粉选自氮化物红粉caalsin3：eu
2+
或氟化物k2(si/ge/ti)f6：mn
4+
中的一种，再次烧结，获得所述复合荧光陶瓷。
8.进一步地，所述高导热陶瓷粉体选自al2o3、mgo、aln、bn、beo、sic中的任意一种。
9.进一步地，所述复合荧光陶瓷，热导率为28-32wm-1
k-1
，在150℃时发射强度仅损失2.3-4.1％，使用460nm蓝光ld激发，在5w的功率下发光效率最高可达260lm/w，显色指数为81-88。
10.本发明的另一个目的是提供一种激光照明用高性能复合荧光陶瓷的制备方法，4.包括以下步骤：
11.s1：制备ce：luag；
12.s1-1配料：按照ce：luag中各元素化学计量比称取氧化镥、氧化铝、氧化铈，加入0.3wt.％-1wt.％mgo和teos作为烧结助剂，球磨混合；
13.s1-2压片：将混合的粉体进行烘干、过筛，对过筛后粉体采用钢模干燥压制成型；
14.s1-3真空烧结：将压制成型的素坯放入真空烧结炉中，对素坯进行烧结；
15.s1-4抛光和切割：对烧结后的陶瓷上下表面进行抛光和裁剪，得到立方体ce：luag陶瓷；
16.s2：制备复合荧光陶瓷；
17.s2-1制作包覆素坯：称量3-5g包覆材料放入模具中，钢模干燥压制成型，得到包覆陶瓷素坯；
18.s2-2进行包覆：取出压铸模顶针，将步骤s1切割好的立方体ce：luag陶瓷放置在包覆陶瓷素坯中央，将立方体ce：luag陶瓷压入包覆陶瓷素坯中；
19.s2-3烧结：将包覆后的陶瓷进行烧结，双面抛光，得到块状陶瓷；
20.s2-5涂覆红粉：使用pig混合红色荧光粉，其中pig与红色荧光粉质量比为10:1-3:1，涂层厚度为70-150μm；再次烧结，得到复合荧光陶瓷。
21.进一步地，步骤s1-1中，球磨时间为24-48h；球磨转速为140-150r/min。
22.进一步地，步骤s1-2中，烘干温度为40-65℃，烘干时间15-20h；过筛目数为100-200目；所述钢模干燥压制的压力为15-25mpa。
23.进一步地，步骤s1-3中，真空烧结温度为1760-1800℃，保温时间为8-20h。
24.进一步地，步骤s2-1中，所述钢模干燥压制的压力为3-5mpa。
25.进一步地，步骤s2-3中，烧结方式为放入马弗炉或气氛炉进行烧结，烧结温度为1300-1650℃，保温8-12h。
26.本发明的有益效果在于：
27.1.本技术提供的复合荧光陶瓷，中心的荧光陶瓷尺寸仅有0.25mm
2-1mm2，与现有照明器件荧光面相比具有更小的发光面积，效率更高，最高可达260lm/w；
28.2.通过本发明的制备方法得到的复合荧光陶瓷，周围紧密包覆高导热包覆材料，包覆材料和荧光陶瓷紧密贴合，散热性能更好，且不透明的包覆材料更大程度的提升了热导率，能够有效的收束光斑尺寸，激光照明效果更好；
29.3.本技术提供的复合荧光陶瓷，采用了ce：luag包覆导热材料，抗热猝灭效果更好，在150℃时发射强度仅损失2.3％-4.1％；
30.4.本技术提供的复合荧光陶瓷，采用ce：luag涂覆红色荧光粉，补充红光效果明显，显色指数可达81-88。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1为实施例1制备的复合荧光陶瓷的测试变温光谱数据图；
33.图2为实施例1制备的复合荧光陶瓷的测试功率大小对应点亮效率图。
具体实施方式
34.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.实施例1
36.一种激光照明用高性能复合荧光陶瓷及其制备方法，具体包括以下步骤：
37.(1)制备ce：luag；
38.按照(ce
0.002
lu
0.998
)3al5o
12
中各元素化学计量比称取氧化镥41.9711g，氧化铝17.95952g、氧化铈0.07276g，并加入mgo 0.6g和1.0wt.％teos 330μl作为烧结助剂；
39.用氧化铝球对原料粉体进行球磨转速为140r/min的混合，时间为24h；
40.对混合后粉体进行烘干、过筛，烘干条件为40℃，时间为20h，筛网目数200目；
41.采用钢制干压机对过筛后粉体进行压制成型，压力为15mpa；
42.将压制成型的素坯放入真空烧结炉中，对素坯进行烧结，真空烧结温度为1760℃，时间为20h；
43.真空烧结的陶瓷上下表面进行抛光和裁剪，尺寸为1mm*1mm*1mm；
44.(2)制备复合荧光陶瓷(以al2o3为例)；
45.称量4g包覆材料放入模具，压制成型，压力为5mpa；其中由于本技术所设计的被包覆的陶瓷尺寸比较小，只有0.5-1mm边长，如果要完成包覆，只需要不太多的粉，3-5g比较合适，低于3克不容易成型，高于5g容易造成浪费。
46.取出顶针，将切割好的ce：luag陶瓷放置在素坯中央，将陶瓷压入包覆陶瓷素坯中，压力为10mpa；
47.放入马弗炉进行烧结，烧结温度为1300℃，保温时间为12h；
48.双面抛光；
49.使用pig混合商业红色荧光粉，其中pig与红色荧光粉质量比为10:1，所用红色荧光粉为caalsin3：eu
2+
，再次烧结。
50.制备得到的荧光陶瓷，热导率为29.3wm-1
k-1
，未涂覆红粉时，在150℃时发射强度仅损失4.1％，涂覆红粉后，使用460nm蓝光ld激发，在5w的功率下发光效率为253lm/w，显色指数为85。
51.实施例2
52.一种激光照明用高性能复合荧光陶瓷及其制备方法，具体包括以下步骤：
53.(1)制备ce：luag
54.按照(ce
0.003
lu
0.997
)3al5o
12
中各元素化学计量比称取氧化镥41.93419g，氧化铝17.96173g、氧化铈0.10915g，并加入mgo 0.6g和1.0wt.％teos 330μl作为烧结助剂；
55.用氧化铝球对原料粉体进行球磨转速为145r/min的混合，时间为30h；
56.对混合后粉体进行烘干、过筛，烘干条件为60℃，时间为18h，筛网目数200目；
57.采用钢制干压机对过筛后粉体进行压制成型，压力为15mpa；
58.将压制成型的素坯放入真空烧结炉中，对素坯进行烧结，真空烧结温度为1780℃，时间为16h；
59.真空烧结的陶瓷上下表面进行抛光和裁剪，尺寸为1mm*1mm*1mm；
60.(2)制备复合荧光陶瓷(以al2o3为例)
61.称量4g包覆材料放入模具，压制成型，压力为5mpa；
62.取出顶针，将切割好的ce：luag陶瓷放置在素坯中央，将陶瓷压入包覆陶瓷素坯中，压力为10mpa；
63.放入马弗炉进行烧结，烧结温度为1400℃，保温时间为10h；
64.双面抛光；
65.使用pig混合商业红色荧光粉，其中pig与红色荧光粉质量比为5:1，所用红色荧光粉为k2sif6：mn
4+
，再次烧结。
66.制备得到的荧光陶瓷，热导率为30wm-1
k-1
，未涂覆红粉时，在150℃时发射强度仅损失2.3％，涂覆红粉后，使用460nm蓝光ld激发，在5w的功率下发光效率为260lm/w，显色指数为87。
67.实施例3
68.一种激光照明用高性能复合荧光陶瓷及其制备方法，具体包括以下步骤：
69.(1)制备ce：luag
70.按照(ce
0.004
lu
0.996
)3al5o
12
中各元素化学计量比称取氧化镥41.89728g，氧化铝17.96393g、氧化铈0.14555g，并加入mgo 0.6g和1.0wt.％teos 350μl作为烧结助剂；
71.用氧化铝球对原料粉体进行球磨转速为150r/min的混合，时间为20h；
72.对混合后粉体进行烘干、过筛，烘干条件为65℃，时间为24h，筛网目数200目；
73.采用钢制干压机对过筛后粉体进行压制成型，压力为15mpa；
74.将压制成型的素坯放入真空烧结炉中，对素坯进行烧结，真空烧结温度为1800℃，时间为8h；
75.真空烧结的陶瓷上下表面进行抛光和裁剪，尺寸为0.5mm*0.5mm*0.5mm；
76.(2)制备复合荧光陶瓷(以al2o3为例)
77.称量3-5g包覆材料放入模具，压制成型，压力为5mpa；
78.取出顶针，将切割好的ce：luag陶瓷放置在素坯中央，将陶瓷压入包覆陶瓷素坯中，压力为10mpa；
79.放入马弗炉进行烧结，烧结温度为1600℃，保温时间为12h；
80.双面抛光；
81.使用pig混合商业红色荧光粉，其中pig与红色荧光粉质量比为3:1，所用红色荧光粉为k2gef6：mn
4+
，再次烧结。
82.制备得到的荧光陶瓷，热导率为32wm-1
k-1
，未涂覆红粉时，在150℃时发射强度仅损失2.3％，涂覆红粉后，使用460nm蓝光ld激发，在5w的功率下发光效率为258lm/w，显色指数为83。
83.对比例1
84.制备ce：luag
85.按照(ce
0.004
lu
0.996
)3al5o
12
中各元素化学计量比称取氧化镥41.89728g，氧化铝
17.96393g、氧化铈0.14555g，并加入mgo 0.6g和1.0wt.％teos 350μl作为烧结助剂；
86.用氧化铝球对原料粉体进行球磨转速为150r/min的混合，时间为20h；
87.对混合后粉体进行烘干、过筛，烘干条件为65℃，时间为24h，筛网目数200目；
88.采用钢制干压机对过筛后粉体进行压制成型，压力为15mpa；
89.将压制成型的素坯放入真空烧结炉中，对素坯进行烧结，真空烧结温度为1800℃，时间为8h；
90.真空烧结的陶瓷上下表面进行抛光。
91.制备得到的荧光陶瓷，热导率为9wm-1
k-1
，在150℃时发射强度损失5.8％，使用460nm蓝光ld激发，在5w的功率下发光效率为267lm/w，显色指数为49。
92.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现和使用本发明。对这些实施例的多种修改方式对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的范围内，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会受限于本文所示的实施例，而是要符合本文公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

技术特征：
1.一种激光照明用高性能复合荧光陶瓷，其特征在于，采用高导热陶瓷粉体包覆立方体ce：luag荧光陶瓷，立方体荧光陶瓷边长为0.5-1mm，烧结形成块状陶瓷后涂覆有红色荧光粉，再次烧结，获得所述复合荧光陶瓷。2.如权利要求1所述的一种激光照明用高性能复合荧光陶瓷，其特征在于，所述高导热陶瓷粉体选自al2o3、mgo、aln、bn、beo、sic中的任意一种。3.如权利要求1所述的一种激光照明用高性能复合荧光陶瓷，其特征在于，所述红色荧光粉选自氮化物红粉caalsin3：eu
2+
或氟化物k2(si/ge/ti)f6：mn
4+
中的一种。4.如权利要求1所述的一种激光照明用高性能复合荧光陶瓷，其特征在于，所述复合荧光陶瓷，热导率为28-32wm-1
k-1
，在150℃时发射强度仅损失2.3-4.1％，使用460nm蓝光ld激发，在5w的功率下发光效率最高可达260lm/w，显色指数为81-88。5.权利要求1-4任一项所述一种激光照明用高性能复合荧光陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：制备ce：luag；s1-1配料：按照ce：luag中各元素化学计量比称取氧化镥、氧化铝、氧化铈，加入0.3-1wt.％mgo和teos作为烧结助剂，球磨混合；s1-2压片：将混合的粉体进行烘干、过筛，对过筛后粉体采用钢模干燥压制成型；s1-3真空烧结：将压制成型的素坯放入真空烧结炉中，对素坯进行烧结；s1-4抛光和切割：对烧结后的陶瓷上下表面进行抛光和裁剪，得到立方体ce：luag陶瓷；s2：制备复合荧光陶瓷；s2-1制作包覆素坯：称量3-5g包覆材料放入模具中，钢模干燥压制成型，得到包覆陶瓷素坯；s2-2进行包覆：取出压铸模顶针，将步骤s1切割好的立方体ce：luag陶瓷放置在包覆陶瓷素坯中央，将立方体ce：luag陶瓷压入包覆陶瓷素坯中；s2-3烧结：将包覆后的陶瓷进行烧结，双面抛光，得到块状陶瓷；s2-5涂覆红粉：使用pig混合红色荧光粉，其中pig与红色荧光粉质量比为10:1-3:1，涂层厚度为70-150μm；再次烧结，得到复合荧光陶瓷。6.如权利要求5所述的一种激光照明用高性能复合荧光陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤s1-1中，球磨时间为20-48h；球磨转速为140-150r/min。7.如权利要求5所述的一种激光照明用高性能复合荧光陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤s1-2中，烘干温度为40-65℃，烘干时间15-24h；过筛目数为100-200目；所述钢模干燥压制的压力为15-25mpa。8.如权利要求5所述的一种激光照明用高性能复合荧光陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤s1-3中，真空烧结温度为1760-1800℃，保温时间为8-20h。9.如权利要求5所述的一种激光照明用高性能复合荧光陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤s2-1中，所述钢模干燥压制的压力为3-5mpa。10.如权利要求5所述的一种激光照明用高性能复合荧光陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤s2-3中，烧结方式为放入马弗炉或气氛炉进行烧结，烧结温度为1300-1650℃，保温8-12h。

技术总结
本发明公开了一种激光照明用高性能复合荧光陶瓷及其制备方法，采用高导热陶瓷粉体包覆立方体Ce：LuAG荧光陶瓷，立方体荧光陶瓷边长为0.5mm-1mm，烧结成块状陶瓷后涂覆红色荧光粉，再次烧结获得复合荧光陶瓷；所述高导热陶瓷粉体选自Al2O3、MgO、AlN、BN、BeO、SiC中的任意一种。该复合荧光陶瓷热导率为28Wm-1


技术研发人员：张乐 桑鹏飞 李延彬 刘明源 张曦月 杨聪聪 邵岑 康健 周春鸣 周天元 陈浩
受保护的技术使用者：江苏师范大学
技术研发日：2023.07.24
技术公布日：2023/10/7