一种绿色荧光陶瓷及其制备方法和应用
文献发布时间：2024-01-17 01:28:27
技术领域
本发明涉及荧光陶瓷材料领域，具体而言，涉及一种绿色荧光陶瓷及其制备方法和应用。
背景技术
激光白光光源具有亮度高、器件体积小和传输距离远等优点，在汽车照明、投影显示、工业照明等领域具有广泛应用。激光白光光源主要由蓝色激光加绿、黄、红色荧光转换材料构建而成。因此，荧光转换材料是激光白光光源的核心，决定了白光的色彩品质、亮度、效率等关键性能。激光高功率密度的特点也对荧光材料的抗热冲击特性、机械强度等提出了高要求。
现阶段激光照明用绿色荧光材料主要为Lu
综上所述，高温固相法制备LuAG：Ce荧光陶瓷是实现工业化量产的最佳方式。然而现有方法是以一定的速率升温至最高温度后进行保温，直至陶瓷完全致密化，这通常伴随晶粒的明显长大，制约了陶瓷的机械强度，进而影响陶瓷的耐激光辐照功率、发光效率等性能，因此制备得到的荧光陶瓷的机械强度、耐激光辐照功率、发光效率都比较一般。
发明内容
本发明要解决的其中一个技术问题是，提供一种绿色荧光陶瓷的制备方法，已解决常规方法制备周期长，且制备的荧光陶瓷荧光陶瓷的机械强度、耐激光辐照功率、发光效率都比较一般的问题。
为解决上述问题，本发明提供了一种绿色荧光陶瓷的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：前驱体粉体的制备：称取Lu、Ce、Al粉体，通过湿法球磨处理将粉体混合均匀，将混合后的粉体预烧结、过筛处理后得到前驱体粉体；
S2：陶瓷素胚的制备：将所述步骤S1制备得到的所述前驱体粉体成型处理，得到陶瓷素胚；
S3：荧光陶瓷的制备：将所述步骤S2制备得到的陶瓷素胚进行烧结，得到荧光陶瓷；
所述烧结的条件为：将所述陶瓷素胚第一次加热至1180-1220℃，随后第二次加热至1430-1470℃，之后第三次加热至1750-1850℃，然后降温至1400-1700℃，保温后结束烧结；
S4：退火：对所述步骤S3制备得到的荧光陶瓷进行退火处理，得到绿色荧光陶瓷。
作为优选的方案，所述步骤S2中，所述成型处理为干压成型或加冷静压。
作为优选的方案，所述步骤S3中，所述第一次加热的速度为5-10℃/min，所述第二次加热的速度为3-5℃/min，所述第三次加热的速度为1-2℃/min。
作为优选的方案，所述步骤S3中，所述第一次加热的温度为1200℃，所述第二次加热的温度为1450℃，所述第三次加热的温度为1800℃，且所述保温的时间为1-7小时。
作为优选的方案，所述步骤S3中，所述烧结为真空烧结；所述步骤S4中，所述退火在空气氛围下进行。
作为优选的方案，所述步骤S4中，所述退火的条件为：温度1350-1500℃，时间为5-10h。
本发明要解决的其中一个技术问题是，提供一种绿色荧光陶瓷，以解决常规绿色荧光陶瓷晶粒尺寸大、发光效率低、耐激光辐照功率小的问题，
为了解决上述问题，本发明提供了一种绿色荧光陶瓷，所述绿色荧光陶瓷由上述制备方法制备而得，且所述绿色荧光陶瓷的物质组成为Lu
作为优选的方案，所述x的取值范围为0.001≤x≤0.03。
本发明要解决的其中一个技术问题是，提供一种绿色荧光陶瓷的应用。
为了解决上述问题，本发明提供了一种所述绿色荧光陶瓷的应用，所述应用包括该绿色荧光陶瓷在大功率激光照明中的应用。
本发明产生的有益效果包括：
(1)本发明提供的一种荧光陶瓷的制备方法，可将陶瓷平均晶粒尺寸控制在1.5-5μm之间，荧光转换流明效率在220-240lm/W之间，相较于已知方法制备的绿色荧光陶瓷的平均晶粒尺寸在5μm以上，其荧光转换流明效率在100-220lm/W之间，本发明的绿色荧光陶瓷的各项性能指标都是优于常见方法制备得到的荧光陶瓷，通过本发明的制备方法，细化了陶瓷晶粒增加对蓝光的提取效率，提高了绿色LuAG:Ce荧光陶瓷的荧光转换性效率；
(2)本发明提供的一种绿色荧光陶瓷的制备方法，实现了陶瓷晶粒的细化，提高了陶瓷的机械强度，相应的耐蓝色激光辐照功率最高可达到17W，相较于已知方法制备的绿色荧光陶瓷耐蓝色激光辐照功率在15.5W以下，即本发明制备的LuAG:Ce荧光陶瓷更适合大功率激光照明的应用,。
(3)本发明提供一种绿色荧光陶瓷的制备方法采用了真空烧结的方式，可在450～850min之内完成陶瓷的烧结，缩减了时间成本，更具经济效益。
附图说明
图1为实施例4-10和对比例1荧光陶瓷的晶粒形貌图；
图2为实施例4-10和对比例1荧光陶瓷的晶粒尺寸分布图；
图3为实施例4-10和对比例1荧光陶瓷在蓝色激光辐照下的光通量性能图。
图4为实施例4-10和对比例1荧光陶瓷在蓝色激光辐照下的饱和功率性能图。
图5为实施例4-10和对比例1荧光陶瓷在蓝色激光辐照下的流明效率性能图。
图6为实施例4-10和对比例1荧光陶瓷的烧结时间图。
具体实施方式
下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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，本申请的实施例中的原料均通过商业途径购买。。
本发明制备绿色荧光陶瓷所用原料为商用纯度99.9％以上的α-Al
实施例1：
Lu
S1：前驱体粉体的制备：将市售的纯度为99.99％的Lu
S2：陶瓷素胚的制备：将球磨后的浆料干燥过筛后，依次经过干压成型和冷等静压得到陶瓷素坯；
S3：荧光陶瓷的制备：将素胚置于真空炉中以5℃/min加热到1200℃后以3℃/min加热到1450℃，再以1℃/min加热至1750℃，然后以10℃/min降温到1600℃保温5h。
S4：退火：最后在1350℃的空气氛围中退火10h完成后进行机械减薄并抛光处理，得到直径为12mm、厚度为2mm的荧光陶瓷片。
实施例2：
Lu
S1：前驱体粉体的制备：将市售的纯度为99.99％的Lu
S2：陶瓷素胚的制备：将球磨后的浆料干燥过筛后，依次经过干压成型和冷等静压得到陶瓷素坯；
S3：荧光陶瓷的制备：将素胚置于真空炉中以8℃/min加热到1200℃后以4℃/min加热到1450℃，再以1℃/min加热至1800℃，然后以10℃/min降温到1600℃保温5h。
S4：退火：最后在1400℃的空气氛围中退火10h完成后进行机械减薄并抛光处理，得到直径为12mm、厚度为2mm的荧光陶瓷片。
实施例3：
Lu
S1：前驱体粉体的制备：将市售的纯度为99.99％的Lu
S2：陶瓷素胚的制备：将球磨后的浆料干燥过筛后，依次经过干压成型和冷等静压得到陶瓷素坯；
S3：荧光陶瓷的制备：将素胚置于真空炉中以10℃/min加热到1200℃后以5℃/min加热到1450℃，再以2℃/min加热至1850℃，然后以10℃/min降温到1600℃保温5h。
S4：退火：最后在1500℃的空气氛围中退火5h完成后进行机械减薄并抛光处理，得到直径为12mm、厚度为2mm的荧光陶瓷片。
实施例4：
Lu
S1：前驱体粉体的制备：将市售的纯度为99.99％的Lu
S2：陶瓷素胚的制备：将球磨后的浆料干燥过筛后，依次经过干压成型和冷等静压得到陶瓷素坯；
S3：荧光陶瓷的制备：将素胚置于真空炉中以10℃/min加热到1200℃后以5℃/min加热到1450℃，再以2℃/min加热至1800℃，然后以10℃/min降温到1400℃保温1h。
S4：退火：最后在1450℃的空气氛围中退火5h完成后进行机械减薄并抛光处理，得到直径为12mm、厚度为2mm的荧光陶瓷片。
实施例5：
Lu
S1：前驱体粉体的制备：将市售的纯度为99.99％的Lu
S2：陶瓷素胚的制备：将球磨后的浆料干燥过筛后，依次经过干压成型和冷等静压得到陶瓷素坯；
S3：荧光陶瓷的制备：将素胚置于真空炉中以10℃/min加热到1200℃后以5℃/min加热到1450℃，再以2℃/min加热至1800℃，然后以10℃/min降温到1400℃保温3h。
S4：退火：最后在1450℃的空气氛围中退火5h完成后进行机械减薄并抛光处理，得到直径为12mm、厚度为2mm的荧光陶瓷片。
实施例6：
Lu
S1：前驱体粉体的制备：将市售的纯度为99.99％的Lu
S2：陶瓷素胚的制备：将球磨后的浆料干燥过筛后，依次经过干压成型和冷等静压得到陶瓷素坯；
S3：荧光陶瓷的制备：将素胚置于真空炉中以10℃/min加热到1200℃后以5℃/min加热到1450℃，再以2℃/min加热至1800℃，然后以10℃/min降温到1400℃保温5h。
S4：退火：最后在1450℃的空气氛围中退火5h完成后进行机械减薄并抛光处理，得到直径为12mm、厚度为2mm的荧光陶瓷片。
实施例7：
Lu
S1：前驱体粉体的制备：将市售的纯度为99.99％的Lu
S2：陶瓷素胚的制备：将球磨后的浆料干燥过筛后，依次经过干压成型和冷等静压得到陶瓷素坯；
S3：荧光陶瓷的制备：将素胚置于真空炉中以10℃/min加热到1200℃后以5℃/min加热到1450℃，再以2℃/min加热至1800℃，然后以10℃/min降温到1400℃保温7h。
S4：退火：最后在1450℃的空气氛围中退火5h完成后进行机械减薄并抛光处理，得到直径为12mm、厚度为2mm的荧光陶瓷片。
实施例8：
Lu
S1：前驱体粉体的制备：将市售的纯度为99.99％的Lu
S2：陶瓷素胚的制备：将球磨后的浆料干燥过筛后，依次经过干压成型和冷等静压得到陶瓷素坯；
S3：荧光陶瓷的制备：将素胚置于真空炉中以10℃/min加热到1200℃后以5℃/min加热到1450℃，再以2℃/min加热至1800℃，然后以10℃/min降温到1500℃保温3h。
S4：退火：最后在1450℃的空气氛围中退火5h完成后进行机械减薄并抛光处理，得到直径为12mm、厚度为2mm的荧光陶瓷片。
实施例9：
Lu
S1：前驱体粉体的制备：将市售的纯度为99.99％的Lu
S2：陶瓷素胚的制备：将球磨后的浆料干燥过筛后，依次经过干压成型和冷等静压得到陶瓷素坯；
S3：荧光陶瓷的制备：将素胚置于真空炉中以10℃/min加热到1200℃后以5℃/min加热到1450℃，再以2℃/min加热至1800℃，然后以10℃/min降温到1600℃保温3h。
S4：退火：最后在1450℃的空气氛围中退火5h完成后进行机械减薄并抛光处理，得到直径为12mm、厚度为2mm的荧光陶瓷片。
实施例10：
Lu
S1：前驱体粉体的制备：将市售的纯度为99.99％的Lu
S2：陶瓷素胚的制备：将球磨后的浆料干燥过筛后，依次经过干压成型和冷等静压得到陶瓷素坯；
S3：荧光陶瓷的制备：将素胚置于真空炉中以10℃/min加热到1200℃后以5℃/min加热到1450℃，再以2℃/min加热至1800℃，然后以10℃/min降温到1700℃保温3h。
S4：退火：最后在1450℃的空气氛围中退火5h完成后进行机械减薄并抛光处理，得到直径为12mm、厚度为2mm的荧光陶瓷片。
对比例1：
Lu
将市售的纯度为99.99％的Lu
实施例4～10和对比例1的荧光陶瓷性能测试。
用激光共聚焦显微镜(KEYENCE)观察陶瓷样品的表面形貌。照射陶瓷表面的激光输出功率为0.95mW，波长为408nm，通过VK-Analyzer分析软件计算晶粒尺寸。激光性能通过日本大冢生产的QE2100光谱仪系统和美国蓝菲公司生产的积分球系统测试获得，激光器激发波长为450nm、光斑直径为1mm。
图1、图2为实施例4-10及对比例1荧光陶瓷的晶粒形貌和晶粒尺寸分布图。实施例4-10荧光陶瓷的平均晶粒尺寸在1.5-5μm之间，对比例1荧光陶瓷的平均晶粒尺寸在6μm以上。可以看出，本发明提供的制备工艺烧结出的陶瓷晶粒更小。
图3、图4、图5是实施例4-10与对比实施例1制备的LuAG：0.4％Ce荧光陶瓷在蓝色激光辐照下的光通量性能图、饱和功率性能图和流明效率性能图。当固定T
图3中，对比实施例1荧光陶瓷的最大光通量为3080.6lm，对应蓝色激光激发功率为14.5W。实施例4-10荧光陶瓷的最大光通量分别为3077、3176.8、3196.2、3234、3569.3、3640.6、3789.8lm，对应蓝色激光激发功率分别为14.5、16、15.5、15.5、16.1、16.3、17W。可以看出，本发明制备的LuAG：Ce荧光陶瓷在光通量亮度性能上优于对比实施例。
最大光通量对应的激发功率称为饱和功率，其性能进一步列举在图4中。可以看出，本发明制备的LuAG：Ce荧光陶瓷在饱和功率在14.5-17W，性能也优于对比实施例的14.5W。
图5中，对比例1荧光陶瓷的最大流明效率为229.1lm/W，对应蓝色激光激发功率为7.5W。实施例4-10荧光陶瓷的最大流明效率分别为228、221.9、225.8、229.4、236.8、234.1、239.2lm/W，对应蓝色激光激发功率分别为7.5、7.5、8.5、7.5、12.1、10.9、10.9W。可以看出，本发明制备的LuAG：Ce荧光陶瓷流明效率优于对比实施例，其中实施例10的流明效率性能最佳，达239lm/W，对应蓝色激光激发功率为12.1W。
图6为不同烧结工艺制备LuAG：0.4％Ce荧光陶瓷的烧结时间图。实施例4～10的烧结时间分别为445、565、68、805、555、545、535min，对比例1的烧结时间为1120min。本发明提供的制备LuAG：Ce荧光陶瓷的烧结时间在450～850min，显著短于传统真空固相法的烧结时间。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围。