一种激光照明用热性能增强的复合结构荧光陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明涉及荧光陶瓷材料技术领域，具体涉及一种激光照明用热性能增强的复合结构荧光陶瓷及其制备方法。

背景技术

白光发光二极管(wled)以其节能、环保、寿命长、成本低等优点被广泛应用于显示和照明领域。目前，led在市场上占有相当大的地位。然而，在高输入电流密度下，led芯片的效率迅速下降，这限制了wled光通量的进一步提高。由于激光二极管(ld)的俄歇复合在达到阈值电流后停止生长，因此ld可以避免wled中普遍存在的“效率下降”问题。因此，激光驱动照明被认为是大功率照明的有力竞争者。

然而，激光能量密度极高，传统的磷树脂转化器在高温下容易降解和碳化，导致失效。为了解决这个问题，研究人员开发了无机转化材料来避免碳化。单晶荧光粉(SCP)具有优异的内部量子效率和热管理能力，然而，它们通常会产生很高的制造成本。作为另一种选择，荧光微晶玻璃(PIG)本身的弱鲁棒性不可避免地限制了它们的使用。因此，荧光陶瓷具有良好的导热性和高发光饱和度，被认为是一种更可接受的选择。

需要解决的是，配置了ld的荧光转换器容易在局部区域达到高温，从而导致局部热猝灭。一种解决方案是将集中在被照亮点上的热量从中心的高温区域引导到附近的低温区域。如专利CN108527960A采用蓝宝石与荧光陶瓷构筑成复合结构，增强了荧光陶瓷热传导。然而，热管理的增强并没有直接覆盖轴向。为避免热量积累，必须及时将热量从荧光粉转化器中排出。另一种解决方案是采用导热基板来改善荧光转换器的热管理。如专利CN116082029A提出了一种烧结在紫铜基地上的荧光器件。但是，将大量的热量从上表面集中到导热系数高的下基材上的的传递是困难的。因此，最高温度总是出现在荧光粉转换器的顶部，而底部的温度较低，从而限制了衬底散热的能力。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种激光照明用热性能增强的复合结构荧光陶瓷，该陶瓷在激光驱动照明下可具有优异的传热性能，能够保证从荧光层到衬底层的传热顺畅，作为发光材料可具有发光效率高、热导率高、发光稳定性高的优点。

本发明的目的之二是提供上述激光照明用热性能增强的复合结构荧光陶瓷的制备方法，该方法可简化工艺和降低成本，易于实现工业化生产。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种激光照明用热性能增强的复合结构荧光陶瓷，所述复合结构荧光陶瓷由荧光层和微阵列衬底层组成，所述荧光层的化学式为(Re

所述微阵列衬底层包括微阵列面和呈平面结构的衬底层面，所述微阵列面与荧光层相接触并由多个凸起结构间隔布置而成，所述微阵列衬底层为采用AlN、SiC、BN、BeO、MgO、Al

优选的，所述凸起结构的形状为圆锥、棱锥、圆柱、圆台、棱柱、棱台中的任意一种，凸起结构的高度为0.1～3mm，间隔布置距离为0.05～1mm。

本发明还提供上述一种激光照明用热性能增强的复合结构荧光陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

S1、以氧化钇/氧化镥、氧化铈和氧化铝作为原料粉体，按化学式(Re

选用AlN、SiC、BN、BeO、MgO、Al

S2、将步骤S1中的微阵列衬底层粉体配制成凝胶体系的浆料，除泡后注入微阵列模具中，干燥后形成微阵列衬底层陶瓷素坯；依次通过排胶、真空烧结、退火、抛光后得到微阵列衬底层陶瓷；

S3、将步骤S1中的荧光层粉体配制成凝胶体系的浆料，除泡后注入模具中，将步骤S2制备得到的微阵列衬底层陶瓷的微阵列端插入浆料中，干燥后依次通过排胶、真空烧结、退火、抛光后得到复合结构荧光陶瓷。

优选的，步骤S1中，所述烧结助剂为MgO和TEOS，加入的量分别为原料粉体总量的0.2～0.7wt.％和0.4～0.6wt.％。

优选的，步骤S1中，所述分散剂为PEI，加入的量为原料粉体总量的0.2～0.5wt.％。

优选的，步骤S2和步骤S3中，所述凝胶体系为丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺体系和聚异丁烯基甲基丙烯酸酯体系的一种，所述浆料固含量为52～56vol.％。

优选的，步骤S2和步骤S3中，所述排胶机制为：室温下以0.2～5℃/min升温到500℃，再以5～10℃/min升温到900℃，在900℃保温5～8h。

优选的，步骤S2和步骤S3中，烧结温度为1700～1800℃，保温时间为8～20h。

优选的，步骤S2和步骤S3中，退火温度为1400～1500℃，保温时间为5～12h。

与现有技术方案相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明中的微阵列衬底层通过简单地改善3D结构来最大化其在激光驱动照明下的传热优势，能够保证从荧光层到衬底层的传热顺畅，为高功率激光驱动照明提供了可行的解决方案；

(2)本发明采用凝胶注模法依次制备荧光层和衬底层，有效将荧光层和衬底层紧密粘合在一起，通过控制烧结温度提升复合结构荧光陶瓷整体质量；同时该制备方法可以实现大批量制备，生产成本低，利于该复合结构荧光陶瓷制备产业化；

(3)本发明所制备得到的复合结构荧光陶瓷，热导率为30～50W/m·K，在150℃时发射强度仅损失2～4％，使用460nm蓝光LD激发，在8W的功率下发光效率可达280lm/W，相关色温稳定在4300K，具有发光效率高、热导率高、发光稳定性高的优点。

附图说明

图1为本发明复合结构荧光陶瓷的结构和热传导示意图；

图中，1、荧光层，2、微阵列，2-1、微阵列面，2-2、衬底层面；

图2为本发明实施例3所制备的复合结构荧光陶瓷的发光效率和色温图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

如图1所示，一种激光照明用热性能增强的复合结构荧光陶瓷，由荧光层1和微阵列衬底层2组成，所述荧光层1的化学式为(Y

上述复合结构荧光陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

S1、按照化学式(Y

称取(125g)Al

S2、将步骤S1中得到的衬底粉末配制成丙烯酸铵凝胶体系的浆料，浆料固含量为52vol.％，浆料真空除泡后注入微阵列模具中，在25℃干燥48h后形成衬底层陶瓷素坯；依次通过排胶、1700℃真空烧结8h、1400℃退火5h、抛光后得到微阵列衬底层陶瓷，排胶机制为：室温下以0.2℃/min升温到500℃，再以5℃/min升温到900℃，在900℃保温5h；

S3、将步骤S1中的荧光层粉体配制成丙烯酸铵凝胶体系的浆料，除泡后注入模具中，将步骤S2得到的微阵列衬底层陶瓷的微阵列端插入浆料中，干燥后依次通过排胶、真空烧结、退火、抛光后得到复合结构陶瓷，所采用干燥、排胶、真空烧结和退火机制等同步骤S2。

本实施例所制备得到的复合结构荧光陶瓷，热导率为30.5W/m·K，在150℃时发射强度仅损失3.8％，在8W的功率下发光效率为261lm/W，色温为5100K。

实施例2

如图1所示，一种激光照明用热性能增强的复合结构荧光陶瓷，由荧光层1和微阵列衬底层2组成，所述荧光层1的化学式为(Lu

上述复合结构荧光陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

S1、按照化学式(Lu

称取(125g)SiC作为微阵列衬底层的原料，加入烧结助剂(0.625g MgO和0.625gTEOS)、分散剂(0.375g PEI)，以无水乙醇作为溶剂、氧化铝球作为球磨介质，将准确称量的原料粉体置于球磨罐内以180r/min球磨15h，得到混合均匀的浆料；将球磨后的浆料干燥后过筛，置于马弗炉内在600℃下煅烧，除杂处理后得到衬底层粉末；

S2、将步骤S1中得到的衬底粉末配制成甲基丙烯酸铵凝胶体系的浆料，浆料固含量为54vol.％，浆料真空除泡后注入微阵列模具中，在25℃干燥48h后形成衬底层陶瓷素坯；依次通过排胶、1760℃真空烧结15h、1450℃退火8h、抛光后得到微阵列衬底层陶瓷，排胶机制为：室温下以2℃/min升温到500℃，再以8℃/min升温到900℃，在900℃保温7h；

S3、将步骤S1中的荧光层粉体配制成甲基丙烯酸铵凝胶体系的浆料，除泡后注入模具中，将步骤S2得到的微阵列衬底层陶瓷的微阵列端插入浆料中，干燥后依次通过排胶、真空烧结、退火、抛光后得到复合结构陶瓷，所采用干燥、排胶、真空烧结和退火机制等同步骤S2。

本实施例所制备得到的复合结构荧光陶瓷，热导率为38.6W/m·K，在150℃时发射强度仅损失3.2％，在8W的功率下发光效率为273lm/W，色温为4700K。

实施例3

如图1所示，一种激光照明用热性能增强的复合结构荧光陶瓷，由荧光层1和微阵列衬底层2组成，所述荧光层1的化学式为(Y

上述复合结构荧光陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

S1、按照化学式(Y

称取(125g)AlN作为微阵列衬底层的原料，加入烧结助剂(0.875g MgO和0.75gTEOS)、分散剂(0.25g PEI)，以无水乙醇作为溶剂、氧化铝球作为球磨介质，将准确称量的原料粉体置于球磨罐内以180r/min球磨15h，得到混合均匀的浆料；将球磨后的浆料干燥后过筛，置于马弗炉内在600℃下煅烧，除杂处理后得到衬底层粉末；

S2、将步骤S1中得到的衬底粉末配制成聚异丁烯基甲基丙烯酸酯凝胶体系的浆料，浆料固含量为56vol.％，浆料真空除泡后注入微阵列模具中，在25℃干燥48h后形成衬底层陶瓷素坯；依次通过排胶、1800℃真空烧结20h、1500℃退火12h、抛光后得到微阵列衬底层陶瓷，排胶机制为：室温下以5℃/min升温到500℃，再以10℃/min升温到900℃，在900℃保温8h；

S3、将步骤S1中的荧光层粉体配制成聚异丁烯基甲基丙烯酸酯凝胶体系的浆料，除泡后注入模具中，将步骤S2得到的微阵列衬底层陶瓷的微阵列端插入浆料中，干燥后依次通过排胶、真空烧结、退火、抛光后得到复合结构陶瓷，所采用干燥、排胶、真空烧结和退火机制等同步骤S2。

本实施例所制备得到的复合结构荧光陶瓷，热导率为49.7W/m·K，在150℃时发射强度仅损失2.1％，在8W的功率下发光效率为280lm/W，色温为4300K。