一种远红光型荧光玻璃陶瓷、其制备方法和植物灯
技术领域
本发明属于无机发光材料领域,尤其涉及一种远红光型荧光玻璃陶瓷、其制备方法和包括其的植物灯。
背景技术
一直以来,人工植物光源对于植物工厂发展起着至关重要的作用。特别地,为了匹配植物光合作用的吸收范围,红蓝复合LED光源更是研究的重点。然而,现在市场上的红蓝复合LED光源主要是以波长460nm的蓝光和660nm的红光组成,其蓝光部分虽然能够迎合植物生长的需要,但是部分红光略显欠缺。这是因为光合作用中的光敏色素有两种,分别为深红光型光敏色素和远红光型光敏色素。其中,深红光型光敏色素的最大红光吸收波长主要位于660nm附近,远红光型光敏色素的最大红光吸收波长主要位于730nm附近,可见,主流红蓝复合LED光源作为植物光源还存在一定的改进空间。同时,红蓝复合LED光源不但可以通过红、蓝两种LED芯片组合而成,还可以通过在蓝光LED芯片上封装红色荧光粉所制成。前者在调控红/蓝光比例时要求装配复杂的电路系统,通过改变电流或电压等参数来达到目的,后者仅仅需要更改荧光粉的浓度即可快速简单地调控光源的光质。因此,后者更迎合植物工厂多种多样的应用需要。
一般地,荧光粉需要和环氧树脂(或有机硅树脂)等封装材料混合之后才能封装到LED芯片上,随着点亮时间延长,芯片所产生的热量会使得封装材料老化,从而影响整体光源的质量以及发光强度,这种现象在大功率LED或激光照明中更为明显。总体来说,解决以上难题的关键在于找到一种热导率比传统封装材料更高的物质(找到免硅胶封装方案及对应的材料),比如玻璃陶瓷材料。目前,已有某些荧光粉(如YAG:Ce3+、CaAlSiN3:Eu2+等)成功地与玻璃陶瓷材料结合用于大功率照明器件,但应用于大功率植物照明领域还鲜有报道。除了光质之外,光源的强度也是影响着植物生长的一个重要因素,因此,发展大功率植物照明光源逐渐成为一种趋势。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有存在的技术问题,本发明的目的之一是提供一种具有高的热导率,而且能够被蓝光激发发射出波长位于650nm~780nm的红光的远红光型荧光玻璃陶瓷。
本发明的目的之二是提供一种上述远红光型荧光玻璃陶瓷的制备方法。
本发明的目的之三是提供一种包括上述远红光型荧光玻璃陶瓷的植物灯,该植物灯能够解决传统封装材料受高温老化带来的光源质量差和发光强度低的问题,提供与光合作用所需要光谱更加匹配的光质。
(二)技术方案
本发明提供了一种远红光型荧光玻璃陶瓷,包括红色荧光粉和硅酸盐玻璃粉,所述红色荧光粉和硅酸盐玻璃粉的质量比为5~30:70~95;所述红色荧光粉的结构式为ZnGa2-xO4:xCr3+,其中,0.002<x<0.0016。
根据本发明,制备所述红色荧光粉的原料包括氧化锌粉末、三氧化二镓粉末和三氧化二铬粉末,所述氧化锌粉末、三氧化二镓粉末和三氧化二铬粉末的摩尔比为1:0.992~0.999:0.001~0.008。
优选地,所述氧化锌粉末、三氧化二镓粉末和三氧化二铬粉末的摩尔比为1:0.995~0.997:0.005~0.007。
根据本发明,所述红色荧光粉由以下方法制备得到:
根据结构式称量氧化锌粉末、三氧化二镓粉末和三氧化二铬粉末,将称量后的上述原料混合均匀,置于高温箱式炉升温至1100~1600℃并保温3~8h,自然冷却后取出,再经粉碎,得到红色荧光粉。
优选地,所述红色荧光粉由以下方法制备得到:
根据结构式称量氧化锌粉末、三氧化二镓粉末和三氧化二铬粉末,将称量后的上述原料混合均匀,置于高温箱式炉升温至1500℃并保温6h,自然冷却后取出,再经粉碎,得到红色荧光粉。
根据本发明,制备所述硅酸盐玻璃粉的原料包括二氧化硅粉末、氧化锌粉末、三氧化二硼粉末、氧化钡粉末和三氧化二铝粉末,所述二氧化硅粉末、氧化锌粉末、三氧化二硼粉末、氧化钡粉末和三氧化二铝粉末的摩尔比为15~30:15~30:11~22:6~12:3~6。
优选地,制备所述硅酸盐玻璃粉的原料包括二氧化硅粉末、氧化锌粉末、三氧化二硼粉末、氧化钡粉末和三氧化二铝粉末,所述二氧化硅粉末、氧化锌粉末、三氧化二硼粉末、氧化钡粉末和三氧化二铝粉末的摩尔比为28~30:22~26:18~20:9~11:5~6。
根据本发明,所述硅酸盐玻璃粉由以下方法制备得到:
根据结构式称量二氧化硅粉末、氧化锌粉末、三氧化二硼粉末、氧化钡粉末和三氧化二铝粉末,将称量后的上述原料混合均匀,置于高温箱式炉升温至1200~1400℃并保温0.5~1h,随后快速取出并浇注在不锈钢板上,冷却至室温,再经粉碎,得到红色荧光粉。
优选地,所述硅酸盐玻璃粉由以下方法制备得到:
根据结构式称量二氧化硅粉末、氧化锌粉末、三氧化二硼粉末、氧化钡粉末和三氧化二铝粉末,将称量后的上述原料混合均匀,置于高温箱式炉升温至1380℃并保温1h,随后快速取出并浇注在不锈钢板上,冷却至室温,再经粉碎,得到红色荧光粉。
本发明提供一种远红光型荧光玻璃陶瓷的制备方法,按照质量比称量红色荧光粉和玻璃粉于玛瑙研砵中混合均匀,然后取适量混合料于模具中压制成片状,随后置于高温箱式电阻炉中,升温反应,反应结束后冷却至室温,经过切割、打磨和抛光后得到不同厚度的远红光型荧光玻璃陶瓷。
根据本发明,在所述模具中压片的混合料的量为0.5~1g;和/或
压片的压力为20~40MPa;和/或
所述升温反应过程是以4~6℃/min的速率升温至650~700℃,然后保温反应0.5~1h。
优选地,在所述模具中压片的混合料的量为0.5g;和/或
压片的压力为30MPa;和/或
所述升温反应过程是以5℃/min的速率升温至680℃,然后保温反应0.5h。
本发明还提供一种植物灯,包括上述任一方案所述的远红光型荧光玻璃陶瓷和蓝光LED芯片,所述远红光型荧光玻璃陶瓷固定于蓝光LED芯片上,所述蓝光LED芯片的发射波长为405nm。
(三)有益效果
本发明的机理为:本发明通过将ZnGa2-xO4:xCr3+(其中,0.002<x<0.0016)红色荧光粉掺入到硅酸盐玻璃陶瓷基质中,经烧结得到远红光型荧光玻璃陶瓷。利用拥有较高的热导率玻璃陶瓷材料对红色荧光粉进行包覆,不仅克服了传统封装材料受高温易老化的缺点,而且能更好地传导来自大功率蓝光LED芯片的热量从而起到保护荧光粉作用,保证了高的光源的质量和强的发光强度,延长了红蓝复合LED光源的使用寿命。同时,由于ZnGa2-xO4:xCr3+(其中,0.002<x<0.0016)红色荧光粉特殊的发射范围,使远红光型荧光玻璃陶瓷能被发射波长为405nm的蓝光激发并且发射出的红光波长位于650nm~780nm,意味着其能与大功率蓝光LED芯片组装成植物灯,而这种植物灯的红光补全了植物在人工照明下进行光合作用所需的红光,更适合植物的生长。
基于上述机理,本发明相对于现有技术具有如下的有益效果:
(1)本发明所述的远红光型荧光玻璃陶瓷的热导率高达1.671W m-1K-1,是对应传统转光材料(有机材料封装)的5~8倍,具有优异的热稳定性,更容易满足大功率植物照明的应用要求。
(2)本发明所述的植物灯在不同激发电流200mA~1000mA下呈现较稳定的红蓝光比。
(3)本发明所述的植物灯在调控发射光谱的时候,只需要直接更换不同的远红光型荧光玻璃陶瓷即可,调控过程简单快捷,转光材料可重复利用。
(4)本发明所述的植物灯发射的红光波长位于650nm~780nm,提供了比传统植物灯更多的远红光型光敏色素吸收(最大吸收波长730nm)的光能,植物照明效果更好,更贴近植物生长的需求,对植物增产增质起到更好的作用。
附图说明
图1为实施例1~6远红光型荧光玻璃陶瓷在自然光和紫外线波长为365nm的紫外灯照射下的效果图。
图2为实施例1~6远红光型荧光玻璃陶瓷的光致发光光谱。
图3为实施例4远红光型荧光玻璃陶瓷表面的扫描电子显微镜图(a)与代表化学元素分布映射图(b)~(d)。
图4为实施例4远红光型荧光玻璃陶瓷的变温荧光光谱图。
图5为实施例4远红光型荧光玻璃陶瓷与蓝光LED芯片组装而成的植物灯电致发光光谱图。
图6为实施例4远红光型荧光玻璃陶瓷在不同电流下的发射谱图(a)及其色度坐标图(b)。
图7为实施例4远红光型荧光玻璃陶瓷与蓝光LED芯片组装的植物灯的实物图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明,以便于理解,下面结合附图,通过具体实施方式,对本发明作详细描述。
本发明提供一种远红光型荧光玻璃陶瓷,包括红色荧光粉和硅酸盐玻璃粉,红色荧光粉和硅酸盐玻璃粉的质量比为5~30:70~95;红色荧光粉的结构式为ZnGa2-xO4:xCr3+,其中,0.002<x<0.0016。
本发明通过将ZnGa2-xO4:xCr3+(其中,0.002<x<0.0016)红色荧光粉掺入到硅酸盐玻璃陶瓷基质中,经烧结得到远红光型荧光玻璃陶瓷。利用拥有较高的热导率玻璃陶瓷材料对红色荧光粉进行包覆,不仅克服了传统封装材料受高温易老化的缺点,还能更好地传导来自大功率芯片的热量从而起到保护荧光粉作用。同时,由于ZnGa2-xO4:xCr3+(其中,0.002<x<0.0016)红色荧光粉特殊的发射范围,使远红光型荧光玻璃陶瓷能被蓝光激发并且发射出的红光波长位于650nm~780nm,意味着其能与大功率蓝光LED芯片组装成植物灯,而这种植物灯的红光补全了植物在人工照明下进行光合作用所需的红光,更适合植物的生长。
在本发明中,制备红色荧光粉的原料包括氧化锌粉末、三氧化二镓粉末和三氧化二铬粉末,氧化锌粉末、三氧化二镓粉末和三氧化二铬粉末的摩尔比为1:0.992~0.999:0.001~0.008。优选地,氧化锌粉末、三氧化二镓粉末和三氧化二铬粉末的摩尔比为1:0.995~0.997:0.005~0.007。更优选地,氧化锌粉末、三氧化二镓粉末和三氧化二铬粉末的摩尔比为1:0.995:0.005。
本发明的红色荧光粉由以下方法制备得到:根据结构式称量氧化锌粉末、三氧化二镓粉末和三氧化二铬粉末,将称量后的上述原料混合均匀,置于高温箱式炉升温至1100~1600℃并保温3~8h,自然冷却后取出,再经粉碎,得到红色荧光粉。
优选地,所述红色荧光粉由以下方法制备得到:根据结构式称量氧化锌粉末、三氧化二镓粉末和三氧化二铬粉末,将称量后的上述原料混合均匀,置于高温箱式炉升温至1500℃并保温6h,自然冷却后取出,再经粉碎,得到红色荧光粉
本发明制备硅酸盐玻璃粉的原料包括二氧化硅粉末、氧化锌粉末、三氧化二硼粉末、氧化钡粉末和三氧化二铝粉末,二氧化硅粉末、氧化锌粉末、三氧化二硼粉末、氧化钡粉末和三氧化二铝粉末的摩尔比为30:30:22:12:6。
本发明的硅酸盐玻璃粉由以下方法制备得到:根据结构式称量二氧化硅粉末、氧化锌粉末、三氧化二硼粉末、氧化钡粉末和三氧化二铝粉末,将称量后的上述原料混合均匀,置于高温箱式炉升温至1200~1400℃并保温0.5~1h,随后快速取出并浇注在不锈钢板上,冷却至室温,再经粉碎,得到红色荧光粉。
优选地,硅酸盐玻璃粉由以下方法制备得到:根据结构式称量二氧化硅粉末、氧化锌粉末、三氧化二硼粉末、氧化钡粉末和三氧化二铝粉末,将称量后的上述原料混合均匀,置于高温箱式炉升温至1380℃并保温1h,随后快速取出并浇注在不锈钢板上,冷却至室温,再经粉碎,得到红色荧光粉。
本发明的远红光型荧光玻璃陶瓷的热导率高达1.671W m-1K-1,是对应传统转光材料(有机材料封装)的5~8倍,具有优异的热稳定性,拥有高热导率的硅酸盐玻璃陶瓷材料能够对红色荧光粉进行包覆,克服了传统封装材料受高温易老化的缺点,而且能更好地传导来自大功率芯片的热量从而起到保护荧光粉作用,更容易满足大功率植物照明的应用要求。
本发明提供一种上述远红光型荧光玻璃陶瓷的制备方法,按照质量比称量红色荧光粉和玻璃粉于玛瑙研砵中混合均匀,然后取适量混合料于模具中压制成片状,随后置于高温箱式电阻炉中,升温反应,反应结束后冷却至室温,经过切割、打磨和抛光后得到不同厚度的远红光型荧光玻璃陶瓷。
在本发明中,在模具中压片的混合料的量为0.5~1g,优选地,在模具中压片的混合料的量为0.5g。压片的压力为20~40MPa,优选地,压片的压力为30MPa。升温反应过程是以4~6℃/min的速率升温至650~700℃,然后保温反应0.5~1h,优选地,升温反应过程是以5℃/min的速率升温至680℃,然后保温反应0.5h。本发明得到的远红光型荧光玻璃陶瓷的厚度为0.5~1.2mm。
远红光型荧光玻璃陶瓷的厚度会影响红光和蓝光的强度比例,厚度越大,红光的强度比例越大。
切割、打磨和抛光能够提高光线透过远红光型荧光玻璃陶瓷的透过率,当本发明的远红光型荧光玻璃陶瓷与蓝光LED芯片组装成植物灯时,从而提高了蓝光透过远红光型荧光玻璃陶瓷的透过率。
本发明还提供一种植物灯,包括上述的远红光型荧光玻璃陶瓷和蓝光LED芯片,远红光型荧光玻璃陶瓷固定于蓝光LED芯片上。本发明的蓝光LED芯片的最大功率为10W,发射波长为405nm。
本发明的植物灯利用发射波长为405nm的蓝光LED芯片激发远红光型荧光玻璃陶瓷中的红色荧光粉,发射出波长为650nm~780nm的红光,此波长的红光能够补全植物在人工照明下进行光合作用所需的红光,提供了比传统植物灯更多的远红光型光敏色素吸收(最大吸收波长730nm)的光能,植物照明效果更好,更适合植物的生长,对植物增产增质起到更好的作用。
本发明的植物灯在不同激发电流200mA~1000mA下呈现较稳定的红蓝光比。植物灯的红蓝光比例可通过更换不同厚度或不同红色荧光粉浓度的远红光型荧光玻璃陶瓷来控制。
本发明的植物灯在调控发射光谱的时候,只需要直接更换不同厚度或不同红色荧光粉浓度的远红光型荧光玻璃陶瓷即可,调控过程简单快捷,转光材料可重复利用。
本发明的植物灯,可以通过更换远红光型荧光玻璃陶瓷来满足不同植物照明的应用要求,提高植物灯中远红光型荧光玻璃陶瓷的重复利用率,减少制造成本。
下面结合附图和具体实施例,详细说明本发明:
实施例1
按质量比5:95称量红色荧光粉和硅酸盐玻璃粉于玛瑙研砵中混合均匀,然后取0.5g混合料于模具中,在30MPa下压制成片状,随后置于高温箱式电阻炉中,以5℃/min升温至680℃,然后保温反应0.5h,反应结束后随炉冷却至室温,经过切割、打磨和抛光后得到厚度为0.5mm的远红光型荧光玻璃陶瓷。
将远红光型荧光玻璃陶瓷固定到大功率蓝光LED芯片上得到LED植物灯。
实施例2
按质量比10:90称量红色荧光粉和硅酸盐玻璃粉于玛瑙研砵中混合均匀,然后取0.5g混合料于模具中,在30MPa下压制成片状,随后置于高温箱式电阻炉中,以5℃/min升温至680℃,然后保温反应0.5h,反应结束后随炉冷却至室温,经过切割、打磨和抛光后得到厚度为0.5mm的远红光型荧光玻璃陶瓷。
将远红光型荧光玻璃陶瓷固定到大功率蓝光LED芯片上得到LED植物灯。
实施例3
按质量比15:85称量红色荧光粉和硅酸盐玻璃粉于玛瑙研砵中混合均匀,然后取0.5g混合料于模具中,在30MPa下压制成片状,随后置于高温箱式电阻炉中,以5℃/min升温至680℃,然后保温反应0.5h,反应结束后随炉冷却至室温,经过切割、打磨和抛光后得到厚度为0.5mm的远红光型荧光玻璃陶瓷。
将远红光型荧光玻璃陶瓷固定到大功率蓝光LED芯片上得到LED植物灯。
实施例4
按质量比20:80称量红色荧光粉和硅酸盐玻璃粉于玛瑙研砵中混合均匀,然后取0.5g混合料于模具中,在30MPa下压制成片状,随后置于高温箱式电阻炉中,以5℃/min升温至680℃,然后保温反应0.5h,反应结束后随炉冷却至室温,经过切割、打磨和抛光后得到厚度为0.5mm的远红光型荧光玻璃陶瓷。
将远红光型荧光玻璃陶瓷固定到大功率蓝光LED芯片上得到LED植物灯。
实施例5
按质量比25:75称量红色荧光粉和硅酸盐玻璃粉于玛瑙研砵中混合均匀,然后取0.5g混合料于模具中,在30MPa下压制成片状,随后置于高温箱式电阻炉中,以5℃/min升温至680℃,然后保温反应0.5h,反应结束后随炉冷却至室温,经过切割、打磨和抛光后得到厚度为0.5mm的远红光型荧光玻璃陶瓷。
将远红光型荧光玻璃陶瓷固定到大功率蓝光LED芯片上得到LED植物灯。
实施例6
按质量比30:70称量红色荧光粉和硅酸盐玻璃粉于玛瑙研砵中混合均匀,然后取0.5g混合料于模具中,在30MPa下压制成片状,随后置于高温箱式电阻炉中,以5℃/min升温至680℃,然后保温反应0.5h,反应结束后随炉冷却至室温,经过切割、打磨和抛光后得到厚度为0.5mm的远红光型荧光玻璃陶瓷。
将远红光型荧光玻璃陶瓷固定到大功率蓝光LED芯片上得到LED植物灯。
实施例1~6的远红光型荧光玻璃陶瓷在自然光和365nmUV灯照射下的效果图如图1所示,图1中,上面的部分从左往右为自然光照射下实施例1~6制得的远红光型荧光玻璃陶瓷的效果图,下面的部分从左往右为波长为365nm的紫外灯照射下实施例1~6制得的远红光型荧光玻璃陶瓷的效果图。从图1可以看出:远红光型荧光玻璃陶瓷在自然光下呈现真实的颜色和形状,而在365nm的紫外灯激发下呈现递增的红色发光,说明远红光型荧光玻璃陶瓷具有较好的转光效果。
实施例1~6的远红光型荧光玻璃陶瓷的发射谱图如图2所示,从图2可以看出:随着红色荧光粉掺杂浓度的增加,玻璃陶瓷的发射强度也逐渐增强,可以满足所要组装的植物灯红光部分强度的不同需要。
实施例1~6远红光型荧光玻璃陶瓷表面的扫描电子显微镜图与化学元素分布能谱图如图3所示,从图3可以看出:红色荧光粉在硅酸盐玻璃粉基质中分散均匀,没有团聚情况出现。
实施例4的远红光型荧光玻璃陶瓷的变温荧光光谱图如图4所示,当温度达到150℃时,荧光效率还维持在68.2%,说明远红光型荧光玻璃陶瓷有较好的热稳定性,更适合用于大功率植物照明的需要。
实施例4的远红光型荧光玻璃陶瓷与蓝光LED芯片组装而成的植物灯电致发光光谱图如图5所示,从图5可以看出,实施例4的植物灯中蓝光LED芯片的发射波长为405nm,利用该波长的蓝光LED芯片激发红色荧光粉,发射出波长为650nm~780nm的红光。
实施例1~6远红光型荧光玻璃陶瓷与蓝光LED芯片组装而成的植物灯在不同电流下电致发光光谱图及其色度坐标图如图6所示,从图6可以看出:实施例1~6的植物灯在不同电流下存在发射波长为405nm的蓝光和利用该波长的蓝光LED芯片激发红色荧光粉而发射出的波长为650nm~780nm的红光,且在不同电流下,其色度值的变化量非常小,表现出很好的色稳定性。
实施例4远红光型荧光玻璃陶瓷与蓝光LED芯片组装的植物灯的实物图如图7所示,从图7可以看出:直接将远红光型荧光玻璃陶瓷固定到大功率蓝光LED芯片上,从而组装成植物灯,该植物灯的组装非常简单快捷。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理,这些描述只是为了解释本发明的原理,不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释,本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式,这些方式都将落入本发明的保护范围之内。