CN110983431A - 一种导模法生产稀土共晶荧光体的加热保温装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导模法生产稀土共晶荧光体的加热保温装置，以及应用该加热保温装置的晶体生长炉，用于稀土共晶荧光体的生产制造；涉及共晶荧光体的制备设备领域；包括感应加热的线圈，线圈正下方放置有耐高温的底座，底座上表面放置圆柱筒状的石英桶，石英桶内填装氧化锆砂；之后同轴由外向内放置氧化锆保温环、钼皮、加热体、模具等，模具用于盛装原料，还包括一个圆柱体状的石墨制成的石墨保温桶，用于对从加热保温装置上部生长出来的稀土共晶荧光体进行保温。

Description

一种导模法生产稀土共晶荧光体的加热保温装置

技术领域

本发明属于共晶荧光体的制备设备领域，特别涉及一种导模法生产稀土共晶荧光体的加热保温装置。

背景技术

白光LED由于具有发光效率高、耗电量少、使用寿命长、安全可靠性强，有利于环保等特性，近几年来在显示屏、汽车工业、背光源、道路、家居、景观照明等许多领域中得到了广泛应用。

传统的白光LED是由蓝光芯片+Ce:YAG荧光粉受激辐射产生的黄光混合得到白光；在传统封装结构中，荧光粉以颗粒的形式分散在透明树脂中，存在以下缺点：

1)Ce:YAG荧光粉颗粒的折射率(1.83)与硅胶、树脂的折射率(1.4-1.6)相差较大，光线入射到荧光粉胶中会出现强烈的散射现象(散射界面间折射率差异越大，则光散射越强），造成芯片发光效率下降并产生废热；

2)荧光粉的形貌和粒径波动、涂覆厚度不均、点胶过程沉淀等因素，会导致LED色温等参数的不一致，需要额外分档处理，额外增加工艺过程和成本；

3)由于硅胶的最高使用温度一般为200℃，长时间使用后会产生性能劣化，甚至变黄开裂，降低了LED的使用寿命和可靠性。

稀土共晶荧光体（YAG:Ce-Al₂O₃），该共晶荧光体是Y₂O₃和Al₂O₃按照一定比例混合并掺入CeO₂后熔化，按一定生长条件降温生长出来的；两种晶相在三维上互相交错，形成一种复杂的缠绕结构，根据生长条件不同，两相的平均尺度也在一定范围内变化，而宏观呈现较好的均一性，避免了荧光粉体系中存在的沉降等导致的不均匀问题；由于其从熔体中生长出来，两相之间是原子尺度上的紧密结合，不存在气孔等其他缺陷，在可见光范围内折射率又非常的接近（YAG:1.83～1.84，Al₂O₃:1.77～1.78），因此大大避免了传统粉胶结构背散射损失；而这一微小的折射率差会在一定程度上改变光的传播途径，破坏了光在单相均匀介质中的光波导作用，有助于提高荧光体的光取出效率，同时使芯片原始的蓝光和荧光体受激辐射产生的黄光得到更好的混合，这在激发光方向极好的激光照明上，更加有利于均匀发散的白光输出；同时组成该共晶体系的两相都具有良好的热导率及热稳定性，因此共晶荧光体还同时兼具了陶瓷及单晶材料的优异热学性能；稀土共晶荧光体可提高传统白光LED的发光效率、热稳定性和使用寿命，可以广泛应用于广场、大型球场、码头探照灯等高功率照明以及可见光通讯等领域。

现有技术还未见有关于制备上述稀土共晶荧光体的报道，我单位在现有蓝宝石晶体生长炉的基础上进行改造，设计了一款适用于上述稀土共晶荧光体的晶体生长炉，并应用该晶体生长炉研发了一套比较成熟的生产工艺。

上述蓝宝石晶体生长炉是一种提拉法晶体生长炉，其结构如图4所示，包括不锈钢炉体9，炉体9前面为可以打开的具有密封功能的炉门10，炉门10中央为耐高温、透明材料制成门板、可以透过门板观察炉体9内部晶体生长情况；炉体9炉腔内部底部中央通过线圈支架11支撑固定感应加热的线圈12，线圈12盘绕成一个上、下端敞口的圆柱筒；线圈12正上方、与炉腔同轴设置有一根籽晶杆13，籽晶杆13下端安装籽晶14与晶体接触以用于晶体生长，籽晶杆13上端从炉体9顶部伸出连接在升降装置15上，通过升降装置15控制籽晶杆13上下移动；炉体9底部和顶部上开设有与炉腔相通的孔，用于向炉体9内充气；此外，还设置有用于对炉体9内抽气、充气的扩散泵16和机械泵17；还包括用于给炉体9降温的冷却装置18，采用冷却水循环给炉体9快速降温，具体地、炉体9为夹层结构，夹层内布置环绕炉体9的换热水管，换热水管的进水端口和出水端口连接到炉体9外的冷却水循环系统中，通过水泵使冷却水在换热水管内流通将炉体9内的热量带走；还包括控制柜19、供电电源20等，控制柜19用于调控炉体9的运行；供电电源20为线圈12、机械泵17、水泵、炉体9顶部的升降装置15、控制柜19等用电设备供电；关于蓝宝石晶体生长炉的详细介绍不在此赘述。

提拉法又称直拉法，英文简称Cz法，是一种目前最流行的块状单晶体生长技术，传统的提拉法装置由加热系统(加热、控温和保温)、气氛控制系统(真空、气路、充气)、传动系统(提拉、旋转)等构成；该方法的优势在于可测试和观察生长界面、定向籽晶、“缩颈”技术、“收尾“技术，因而控制方便，能获得较快的生长速率和很高的产品性能均匀性，因而成品率远大于其它晶体生长方式；由于提拉法的重要性，目前已申请的专利较多；如中国专利申请CN102560655A公开了一种蓝宝石晶体生长炉，采用泡生法蓝宝石晶体生长工艺，实现直径大于250mm蓝宝石晶体的规模化生产；再如中国专利申请CN103741208A公开了一种提拉法晶体生长炉，该生长炉可以有效控制提拉法炉腔中流动传热的三维效应，在晶体周围组织较好的温度环境，同时使得晶体生长过程中固液界面处在较好的温度梯度；这种新型的炉腔结构能够减小晶体生长过程中位错或者破裂的产生，提高晶体质量；然而，上述现有的晶体生长炉都不能很好的适用于本单位研发的稀土共晶荧光体的制造。

发明内容

本发明的目的在于提供一种导模法生产稀土共晶荧光体的加热保温装置，是设置在技术背景中晶体生长炉内的一种装置，用于本发明中提到的稀土共晶荧光体的生产制造。

本发明采用的技术方案如下：一种导模法生产稀土共晶荧光体的加热保温装置,所述的加热保温装置设置在晶体生长炉内，包括通过线圈支架支撑固定的感应加热的线圈，线圈的正下方放置有耐高温的底座，底座呈圆柱体状，上表面平整；底座上表面放置圆柱筒状的石英桶，石英桶上、下两端为敞口，石英桶与圆柱筒状的线圈同轴放置，上边缘与线圈上边缘基本保持齐平；石英桶内用于填装氧化锆砂；在氧化锆砂上放置氧化锆保温环，氧化锆保温环与石英桶同轴放置；所述的氧化锆保温环是用氧化锆特制的一种环状体，氧化锆保温环的上、下两端为敞口，放置时，氧化锆保温环的上边缘与石英桶的上边缘保持齐平；放置好氧化锆保温环后，在氧化锆保温环与石英桶之间的空隙继续填充氧化锆砂，氧化锆砂上边缘比石英桶和氧化锆保温环略低；

氧化锆保温环内同轴放置一个钼制的圆柱筒状的钼皮，钼皮为一层薄壁结构，其直径比氧化锆保温环略小，靠近氧化锆保温环的内侧壁；钼皮的上、下两端为敞口；钼皮的上端口配套设置有可以取下的钼皮盖；钼皮盖中央设置长条状的钼皮盖开口，钼皮盖开口贯穿钼皮盖；盖上钼皮盖后，钼皮盖上表面与氧化锆保温环的上边缘尽量保持齐平；

钼皮内同轴放置一个钼制的圆柱筒状的加热体，加热体的上、下两端为敞口；加热体的上端口配套设置有可以取下的加热体盖；加热体盖中央设置长条状的加热体盖开口，加热体盖开口贯穿加热体盖；盖上加热体盖后，加热体盖上表面贴近钼皮盖下表面，且加热体盖开口与钼皮盖开口正对相通，加热体盖开口比钼皮盖开口略小；加热体的直径比钼皮的直径小，放置时与钼皮有空隙；

加热体内底部先水平放置一个圆形的氧化锆垫板；之后同轴放置模具，氧化锆垫板支撑在模具底部；所述的模具包括两块对称安装的片状模板和一个用于放置模板的圆形坩埚，模具中的圆形坩埚配套有圆形的坩埚盖，坩埚盖中央设置长条状的坩埚盖开口，坩埚盖开口贯穿坩埚盖；盖上坩埚盖后，坩埚盖上表面贴近加热体盖下表面，且坩埚盖开口与加热体盖开口正对相通，坩埚盖开口比加热体盖开口略小；模具中的两块模板的顶面设置为向内倾斜的斜面，从而在两块模板顶面形成V字型槽；钼皮盖开口、加热体盖开口、坩埚盖开口露出两块模板顶面的V字型槽；

所述的加热保温装置还包括一个圆柱体状的石墨制成的石墨保温桶；石墨保温桶中央设置有一个矩形通道，矩形通道贯穿石墨保温桶的上下面，石墨保温桶的底面中央为保温桶凹槽，保温桶凹槽的侧壁上对称设置有两个观察孔，观察孔处安装有透明的蓝宝石镜片；将石墨保温桶同轴放置在氧化锆保温环的上表面，石墨保温桶的下边缘搭接在氧化锆保温环的上表面上；籽晶杆可以穿过石墨保温桶的矩形通道，并穿过钼皮盖开口、加热体盖开口、坩埚盖开口抵达模具的两块模板顶面的V字型槽。

优选的，上述的底座是圆柱体状的耐火砖或者是圆柱体状的氧化铝砖。

优选的，上述的底座的上表面设置圆形的底座凹槽，石英桶的下边缘放置在底座凹槽内。

优选的，上述的石英桶内侧壁还铺设一层耐火棉将石英桶与氧化锆砂隔离开来。

优选的，上述的氧化锆保温环为三段式结构，连接部位为插接形式的凸起和插槽结构。

上述的模具还包括用于将两块模板相对紧固在一起的紧固装置；两块模板的形状、尺寸相同，呈矩形；模板底面为平面，且底面对称开设有两个通道槽，通道槽贯穿模板前、后面，两块模板的中部相同位置设置两个对称的圆形的通孔；所述的紧固装置包括螺纹杆和螺母，螺纹杆用于穿过两块模板的圆形通孔，之后用两个螺母从两块模板外侧进行旋紧固定；且两块模板之间需要保持0.2-0.3mm的间隙；具体的，采用0.2-0.3mm粗的钨丝缠绕在两块模板之间螺纹杆上；将两块模板相对紧固在一起后，竖直放置在坩埚内部中央；两块模板的顶面V字型槽夹角大于90°小于180°。

一种应用上述加热保温装置的晶体生长炉，包括不锈钢炉体，炉体前面为可以打开的具有密封功能的炉门，炉门中央为耐高温、透明材料制成门板、可以透过门板观察炉体内部晶体生长情况；炉体炉腔内部底部中央设置上述加热保温装置；加热保温装置正上方、与炉腔同轴设置有一根籽晶杆，籽晶杆下端安装籽晶与晶体接触以用于晶体生长，籽晶杆上端从炉体顶部伸出连接在升降装置上，通过升降装置控制籽晶杆上下移动；炉体底部和顶部上开设有与炉腔相通的孔，用于向炉体内充气。

上述的晶体生长炉还设置有用于对炉体内抽气、充气的扩散泵和机械泵；还包括用于给炉体降温的冷却装置、控制柜、供电电源等，控制柜用于调控炉体的运行；供电电源为线圈、机械泵、炉体顶部的升降装置、控制柜等用电设备供电。

优选的，上述的冷却装置采用冷却水循环给炉体快速降温，具体地、炉体为夹层结构，夹层内布置环绕炉体的换热水管，换热水管的进水端口和出水端口连接到炉体外的冷却水循环系统中，通过水泵使冷却水在换热水管内流通将炉体内的热量带走。

优选的，上述的籽晶杆下端安装的籽晶最好采用横截面不小于5×5mm，长度不低于50mm的方向干净籽晶，可选择的籽晶种类包含构成共晶物相的YAG或Al2O3，籽晶下端为V字形末端，且做倒角处理；采用钨丝绑在夹具上。

进一步，晶体生长炉还配备备用供电电源。

本发明的有益效果在于：本发明提供了一种导模法生产稀土共晶荧光体的加热保温装置以及应用该加热保温装置的晶体生长炉，用于本发明中提到的稀土共晶荧光体的生产制造。

附图说明

图1为本发明设计的模具的立体结构示意图。

图2为本发明设计的模具的模板拆解开的结构示意图。

图3为本发明设计的模具的侧面剖视图。

图4为本发明改进前的原始的现有晶体生长炉的结构示意简图。

图5为本发明增设的加热保温装置在炉体内的剖视图。

图6为本发明增设的加热保温装置在炉体内的立体结构示意图。

图7为本发明增设的加热保温装置的侧面剖视图。

图8为本发明增设的加热保温装置的局部剖视细节展示图。

图9为本发明增设的加热保温装置的部件分解展示图。

图10为本发明氧化锆保温环设计为三段式结构的立体结构示意图。

图11为本发明皮盖开口、加热体盖开口、坩埚盖开口露出两块模板顶面的V字型槽的展示图。

图12为本发明石墨保温桶的底部结构展示图。

图13为本发明导模法的基本原理示意图。

图14为本发明透过石墨保温桶上的观察孔观察到的籽晶与模具顶面的V字型槽处“熔接”的图。

图15为本发明制得的稀土共晶荧光体与现有荧光粉的对比图。

图16为本发明实施例制得的稀土共晶荧光体的扫描电镜图。

图17为本发明实施例制得的稀土共晶荧光体采用功率密度大的激光光源做测试得到的光谱图。

图18为本发明实施例制得的稀土共晶荧光体采用积分球测得的光效图。

图中：模板1，坩埚2，通道槽3，通孔4，螺纹杆5，螺母6，钨丝7，V字型槽8，炉体9，炉门10，线圈支架11，线圈12，籽晶杆13，籽晶14，升降装置15，扩散泵16，机械泵17，冷却装置18，控制柜19，供电电源20，加热保温装置21，底座22，底座凹槽22-1，石英桶23，氧化锆砂24，氧化锆保温环25，钼皮26，钼皮盖27，钼皮盖开口28，加热体29，加热体盖30，加热体盖开口31，氧化锆垫板32，模具33，坩埚盖34，坩埚盖开口35，石墨保温桶36，矩形通道36-1，保温桶凹槽36-2，观察孔36-3。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细介绍，以下所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量；由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通；对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，本申请中涉及到一套自主研发设计的装置以及利用该装置生产稀土共晶荧光体的工艺方法，本申请中保护装置结构，生产稀土共晶荧光体的工艺方法另案申请专利。

一种导模法生产稀土共晶荧光体的装置，主要包括一种特制的生长模具33和一种晶体生长炉。

如图1-3所示，上述的生长模具33的具体结构为：包括两块对称安装的片状模板1和一个用于放置模板1的圆形坩埚2，以及用于将两块模板1相对紧固在一起的紧固装置；具体地，两块模板1的形状、尺寸相同，呈矩形；模板1底面为平面，且底面对称开设有两个通道槽3，通道槽3贯穿模板1前、后面，两块模板1的中部相同位置设置两个对称的圆形的通孔4；所述的紧固装置包括螺纹杆5和螺母6，螺纹杆5用于穿过两块模板1的圆形通孔4，之后用两个螺母6从两块模板1外侧进行旋紧固定；且两块模板1之间需要保持0.2-0.3mm的间隙；具体的，采用0.2-0.3mm粗的钨丝7缠绕在两块模板1之间螺纹杆5上；将两块模板1相对紧固在一起后，竖直放置在坩埚2内部中央；模板1、坩埚2、紧固装置最好采用耐高温的金属钼制成；且两块模板1的顶面设置为向内倾斜的斜面，从而在两块模板1顶面形成V字型槽8，V字型槽8夹角大于90°小于180°。

如图4所示，上述的晶体生长炉是在上述背景技术中提到的提拉法晶体生长炉的基础上进行的改造，原有的提拉法晶体生长炉包括不锈钢炉体9，炉体9前面为可以打开的具有密封功能的炉门10，炉门10中央为耐高温、透明材料制成门板、可以透过门板观察炉体9内部晶体生长情况；炉体9炉腔内部底部中央通过线圈支架11支撑固定感应加热的线圈12，线圈12盘绕成一个上、下端敞口的圆柱筒；线圈12正上方、与炉腔同轴设置有一根籽晶杆13，籽晶杆13下端安装籽晶14与晶体接触以用于晶体生长，籽晶杆13上端从炉体9顶部伸出连接在升降装置15上，通过升降装置15控制籽晶杆13上下移动；炉体9底部和顶部上开设有与炉腔相通的孔，用于向炉体9内充气。

此外，还设置有用于对炉体9内抽气、充气的扩散泵16和机械泵17；还包括用于给炉体9降温的冷却装置18，采用冷却水循环给炉体9快速降温，具体地、炉体9为夹层结构，夹层内布置环绕炉体9的换热水管，换热水管的进水端口和出水端口连接到炉体9外的冷却水循环系统中，通过水泵使冷却水在换热水管内流通将炉体9内的热量带走；还包括控制柜19、供电电源20等，控制柜19用于调控炉体9的运行；供电电源20为线圈12、机械泵17、水泵、炉体9顶部的升降装置15、控制柜19等用电设备供电；关于蓝宝石晶体生长炉的详细介绍不在此赘述。

本单位研发的稀土共晶荧光体的制备采用的是导模法；仅仅采用现有的坩埚是不行的；我单位科研人员经过反复研究和实验，在现有炉体9中增设了一套加热保温装置21，以保证稀土共晶荧光体的顺利生产。

如图5-12所示，上述的加热保温装置21包括上述的通过线圈支架11支撑固定的感应加热的线圈12，线圈12的正下方放置有耐高温的底座22，底座22呈圆柱体状，上表面要水平，本单位采用的是圆柱体状的耐火砖作为底座22，当然采用其他的耐火材料制成也行，例如还可以采用氧化铝砖；底座22上表面放置圆柱筒状的石英桶23，石英桶23上、下两端为敞口，石英桶23与圆柱筒状的线圈12同轴放置，上边缘与线圈12上边缘基本保持齐平；石英桶23内用于填装氧化锆砂24；为了保证石英桶23能够平稳的放置在底座22上、且避免氧化锆砂24从石英桶23底部边缘露出，底座22的上表面设置圆形的底座凹槽22-1，石英桶23的下边缘放置在底座凹槽22-1内（如图7所示）；此外，氧化锆砂24加热过程中与石英桶23直接接触存在炸裂的风险，最好在石英桶23内侧壁先铺设一层耐火棉（可以采用氧化锆耐火棉）将石英桶23与氧化锆砂24隔离开来，图中未展示。

石英桶23内先铺设一层氧化锆砂垫层，尽量保持氧化锆砂24上表面平整，之后，在氧化锆砂垫层上放置氧化锆保温环25，氧化锆保温环25与石英桶23同轴放置，氧化锆保温环25起到隔绝氧化锆砂24和保温的作用；所述的氧化锆保温环25是用氧化锆特制的一种环状体，氧化锆保温环25的上、下两端为敞口，放置时，氧化锆保温环25的上边缘与石英桶23的上边缘尽量保持齐平；实际使用时，如果氧化锆保温环25制成一个完整的环状体，存在各向应力的作用下受热容易炸裂的风险；所以，将氧化锆保温环25进一步优化制成多段式的结构，例如设计为三段式结构，连接部位为插接形式的凸起和插槽结构（如图10所示）；放置好氧化锆保温环25后，在氧化锆保温环25与石英桶23之间的空隙继续填充氧化锆砂24，氧化锆砂24上边缘比石英桶23和氧化锆保温环25略低。

氧化锆保温环25内同轴放置一个钼制的圆柱筒状的钼皮26，钼皮26为一层薄壁结构，其直径比氧化锆保温环25略小，靠近氧化锆保温环25的内侧壁；钼皮26的上、下两端为敞口；钼皮26的上端口配套设置有可以取下的钼皮盖27；钼皮盖27中央设置长条状的钼皮盖开口28，钼皮盖开口28贯穿钼皮盖27；盖上钼皮盖27后，钼皮盖27上表面与氧化锆保温环25的上边缘尽量保持齐平；钼皮26及钼皮盖27进一步起到隔绝保护的作用。

钼皮26内同轴放置一个钼制的圆柱筒状的加热体29，加热体29的上、下两端为敞口；加热体29的上端口配套设置有可以取下的加热体盖30；加热体盖30中央设置长条状的加热体盖开口31，加热体盖开口31贯穿加热体盖30；盖上加热体盖30后，加热体盖30上表面贴近钼皮盖27下表面，且加热体盖开口31与钼皮盖开口28正对相通，加热体盖开口31比钼皮盖开口28略小；加热体29主要用于受到线圈感应发热，加热体29发热后辐射热量对内部进行加热；加热体29的直径比钼皮26的直径小，放置时与钼皮26有空隙，通过钼皮26的隔绝，保护氧化锆保温环25避免炸裂。

加热体29内底部先放置一个圆形的氧化锆垫板32，尽量水平的放置在氧化锆砂24上；之后同轴放置上述的模具33，氧化锆垫板32支撑模具33中的坩埚2；模具33中的圆形坩埚2配套有圆形的坩埚盖34，坩埚盖34中央设置长条状的坩埚盖开口35，坩埚盖开口35贯穿坩埚盖34；盖上坩埚盖34后，坩埚盖34上表面贴近加热体盖30下表面，且坩埚盖开口35与加热体盖开口31正对相通，坩埚盖开口35比加热体盖开口31略小；模具33中的两块模板1的顶面设置为向内倾斜的斜面，从而在两块模板1顶面形成V字型槽8；钼皮盖开口28、加热体盖开口31、坩埚盖开口35露出两块模板1顶面的V字型槽8（如图11所示）。

上述的加热保温装置21还包括一个圆柱体状的石墨制成的石墨保温桶36；石墨保温桶36中央设置有一个矩形通道36-1，矩形通道36-1贯穿石墨保温桶36的上下面，石墨保温桶36的底面中央为保温桶凹槽36-2，保温桶凹槽36-2的侧壁上对称设置有两个观察孔36-3，观察孔36-3处安装有透明的蓝宝石镜片（图中未展示），蓝宝石镜片起到隔绝和观察的作用；将石墨保温桶36同轴放置在氧化锆保温环25的上表面，石墨保温桶36的下边缘搭接在氧化锆保温环25的上表面上；实际使用时只会用到一个观察孔36-3，对称设置观察孔36-3是为了保证内部温度场的对称均匀；籽晶杆13可以穿过石墨保温桶36的矩形通道36-1，并穿过钼皮盖开口28、加热体盖开口31、坩埚盖开口35抵达模具33的两块模板1顶面的V字型槽8。

上述的籽晶杆13下端安装的籽晶14采用横截面不小于5×5mm，长度不低于50mm的方向干净籽晶（可选择的籽晶种类包含构成共晶物相的YAG或Al2O3任何一种，如<111>向YAG，<001>向Al2O3等），籽晶应确保无明显缺陷或开裂，按照籽晶杆13夹具形状磨成如图11所示形状，其中下端V字形末端应做倒角处理，不得有尖锐突起，避免划伤模具33，采用钨丝绑在夹具上，末端方向应与籽晶杆13整体方向保持一致，肉眼观察无明显偏斜；籽晶末端使用前需要采用无水乙醇清洗并烘干，待用。

利用上述装置生产稀土共晶荧光体采用的是导模法，其基本原理为：将原料放入坩埚2中加热熔化，熔体沿着模具33在毛细作用下上升至模具33顶端，在模具33顶端接籽晶提拉熔体，从而不断凝固结晶生长出与模具33边缘形状形同的单晶体，原理图见图13；导模法相对于其它晶体生长方法，具有以下优点：可生长异形晶体；生长速度快，可达10-100mm每小时，生长界面稳定，生长质量均匀等。

下面详细介绍利用上述装置生产稀土共晶荧光体工艺方法，包括如下步骤。

步骤S1:原料预处理:

S1.1:以80-83：17-19：0.05-0.15的摩尔比分别称取Al₂O₃、Y₂O₃、CeO₃，放入混料机混合6-8h；

S1.2:将S1.1混好的原料放入压料机的模具33中，用压料机压实；

S1.3:将S1.2压实的原料放入箱式炉中，在1400℃-1600℃的温度下烧结6-8h；

S1.4:将S1.3烧结后的原料从箱式炉中取出冷却，之后弄碎后放入上述生长模具33中；具体的，将两块模板1相对紧固在一起后，竖直放置在坩埚2内部中央；之后将弄碎后的原料放置坩埚2中，且填实，使两块模板1保持竖直；模板1要放置在坩埚2的中心位置，保证两块模板1顶面的V字型槽8处于坩埚2的直径上；盖上坩埚盖34，保证坩埚盖开口35露出两块模板1顶面的V字型槽8。

步骤S2:下热场装配

S2.1：将准备好的籽晶安装在籽晶杆13下端；

S2.2：将S1.4准备好的的模具33放入晶体生长炉中的加热保温装置21内；将籽晶杆13下摇至接近模具33高度，对齐籽晶末端和两块模板1顶面的V字型槽8的中心位置，并保证籽晶V字形末端和模板1顶面的V字型槽8平行（如图11所示）；

S2.3：上移籽晶杆13，依次盖上加热体盖30、钼皮盖27；保证钼皮盖开口28、加热体盖开口31、坩埚盖开口35对齐露出两块模板1顶面的V字型槽8。

步骤S3:上热场装配

S3.1：上热场指上部石墨保温桶36用于为拉出晶体部分保温的部分，将石墨保温桶36同轴放置在氧化锆保温环25的上表面，石墨保温桶36的下边缘搭接在氧化锆保温环25的上表面上；避免下放露出空隙，并用水平尺矫正整个上热场的水平。

S3.2：进行观察视野的确认，保证透过石墨保温桶36的观察孔36-3可以清楚的看到模具33顶面的V字型槽8表面及两端情况。

S3.3：将籽晶缓缓下移，在强光照射下，通过观察孔36-3观察，将籽晶末端刚好贴在模具33顶面的V字型槽8上，然后将籽晶上移5mm，避免直接热冲击导致开裂、直接过热熔化等，然后固定位置。

步骤S4:抽真空及充气升温

S4.1：打扫干净炉体9内残余物，用无水乙醇清理炉门10边框，涂抹高温真空脂，关闭炉门10。

S4.2：开启机械泵17进行第一步抽气，同时开启循环水和扩散泵16预热，在第一步抽气过程中，气压大于0.5bar时手动慢慢打开抽气阀门，避免气流紊乱，当气压低于0.5bar后可以慢慢打开阀门，直至完全打开；并在炉体9气压表到-0.1Mpa时打开控制柜19气压计；

当控制柜19气压计显示炉内气压低于5.0Pa，且扩散泵16预热超过40分钟后，关闭机械泵17抽气阀（机械泵不关），打开扩散泵16开始抽气，直至真空低于0.001Pa；

关闭扩散泵16和控制柜19气压计，继续维持机械泵17运转直至扩散泵16冷却（约40分钟）后关闭；

S4.3：向炉体9内缓慢充入高纯95%Ar和5%氢气混合气，直至炉体9气压表显示+0.02Mpa，停止充气。

步骤S5:引晶接种

待模具33口的料完全融化之后，稳定5-10分钟，开始慢慢手动下摇籽晶，密切关注籽晶末端的变化情况（观察籽晶末端是否有变亮，变粗现象，及时适当调整功率），待籽晶末端与模具33顶面的V字型槽8接触时，观察接触界面是否有明显亮线出现（呈Y字型），如未出现，可适当加功率，直至出现明显Y字型亮线；籽晶与顶面的V字型槽8处熔体实现“熔接”之后，稳定10-20分钟之后，开晶升拉速调至10-100mm/h；如图14所示，为透过石墨保温桶36上的观察孔36-3观察到的籽晶与模具33顶面的V字型槽8处“熔接”的图。

步骤S6:放肩

晶体拉出一小段后（约1mm左右），观察晶体生长趋势，可适当缓慢降低功率使熔体向模具33两端扩开，直至铺满模具33两端；对于现有热场，整个放肩过程，每隔10分钟降低10w左右，直至放肩过程结束。

步骤S7:等径生长

放肩完成后，适当增加功率开始等径生长，此阶段晶体生长过程稳定，厚度和直径保持不变，从观察孔36-3看，晶体成透明薄板状；

生长过程中，注意观察晶体表面情况，若出现明显的粗糙条纹，表明生长温度略低可适当增加功率；如其他无特殊状况，基本维持恒定的加热功率无需调整。

步骤S8:拉脱降温

等径生长结束后，晶体自然脱离，观察到晶体末端与狭缝出现空隙后，关闭提拉，设定降温程序，10小时完成降温，并在降温完成后关闭电源。

步骤S9:排气，取出晶体，并进行清理维护

降温结束后，用机械泵17抽干炉内气体，然后充入空气开炉取出晶体；

每次生长完成后，应将模具33和坩埚2清理干净以备下次使用，石墨保温桶36应封存于炉膛内，紧闭炉门10，抽好真空避免石墨保温桶36吸潮。

由于晶体生长过程需要1-2天的时间，中间是不间断的，为了保证连续供电，防止意外断电，还需要配备备用供电电源。

用上述模具33进行导模法制备稀土共晶荧光体时，将两块模板11相对紧固在一起后，竖直放置在坩埚22内部中央；将Y₂O₃和Al₂O₃按照一定比例混合并掺入CeO₂后进行烧结处理，之后将处理后的原料放置坩埚22中，且填实，使两块模板11保持竖直；之后将该模具33放入生长炉中，原料在生长炉中熔化，由于两块模板11之间0.2-0.3mm的间隙形成的毛细效应，熔化的原料会从两块模板11底部的通道槽33进入，并沿着间隙向上生长，在两块模板11顶面长出，在模具33顶端接籽晶8提拉熔化的原料，从而不断凝固结晶生长出与模具33边缘形状形同的单晶体。

实施例1

以81：18.5：0.1的摩尔比分别称取Al₂O₃、Y₂O₃、CeO₃；其他步骤同上制得一种稀土共晶荧光体。

下面对本发明制得的稀土共晶荧光体与现有的蓝光芯片+Ce:YAG荧光粉进行对比说明。

如图15所示，右侧为荧光粉、左侧为本发明制得的稀土共晶荧光体；稀土共晶荧光体中构成共晶的两种晶相分别是YAG和Al₂O₃，这两种材料透光性好，折射率接近，大大减小界面全反射损耗，由于不存在粉和胶额外调配的问题，所以避免了现有技术存在的下面两个问题：

1)Ce:YAG荧光粉颗粒的折射率(1.83)与硅胶、树脂的折射率(1.4-1.6)相差较大，光线入射到荧光粉胶中会出现强烈的散射现象(散射界面间折射率差异越大，则光散射越强）；

2)荧光粉的形貌和粒径波动、涂覆厚度不均、点胶过程沉淀等因素，会导致LED色温等参数的不一致，需要额外分档处理，额外增加工艺过程和成本。

由于导模法生长过程中，结晶过程始终被局限在模具33表面一层，固液界面稳定，（传统方法受到自然对流或者搅拌强迫对流）受到外界扰动少，微结构均匀性提高，也不会与坩埚2内剩余熔体形成对流进行溶质交换（毛细缝近似单向流通），因此结晶获得的组分和熔体组分（预先配料时候设定）几乎一致；如图16所示，是本发明制备的稀土共晶荧光体的扫描电镜图；从图中可以看出两相交错呈互穿复合结构，粒径大小均一，形貌稳定。

对制得的稀土共晶荧光体进行随机3点测组分（3点均在SEM照片中的亮区域，即发光主成分YAG组分），测试结果如下表所示；

随机三点测组分，Average(平均值)Al为77.03%;Y为22.94%;Ce为296.124ppm；

stddev（标准偏差）AlY均为1.46%，Ce为5.580ppm都比较小，标准偏差越小，说明三点组分越接近；

RSD%为相对标准偏差（相对标准偏差（RSD）=标准偏差（SD）/计算结果的算术平均值（X）*100%）即Al:1.46%÷77.03%=1.9%,Y:1.46%÷22.94%=6.377%,各相变化在各组分中的相对变化程度，值越小说明三点变化越小；结果均在可接受范围。

采用功率密度大的激光光源做测试，得到如图17所示的光谱图；Inputcurrent(输入电流强度)随着输入电流强度增加，发光强度也增加，最高功率密度超过12W/mm²，每mm²光效超过1000流明，相当于10W白光LED集中在一点；在同等条件下，树脂/硅胶封装已因材料受热老化失效。

如图18所示为本发明制备的稀土共晶荧光体采用积分球测得的光效图，随蓝色激光功率密度（横坐标）的增加，光效（纵坐标单位：流明lm）逐渐增加，稳定保持在1000流明以上，说明每mm²上大概有1000多流明，即应用于激光照明领域，达到同样的光效，我们的材料的体积是普通LED的1/100；普通LED的粉胶材料承受不了激光的高能量密度。

此外，我们这种材料由于是共晶结构（两相交错），组织结构细密，对于热应力等容忍度也更高，可以适应较大温度梯度下的快速生长。

尽管参照前述实例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种导模法生产稀土共晶荧光体的加热保温装置,所述的加热保温装置设置在晶体生长炉内，其特征是，包括通过线圈支架支撑固定的感应加热的线圈，线圈的正下方放置有耐高温的底座，底座呈圆柱体状，上表面平整；底座上表面放置圆柱筒状的石英桶，石英桶上、下两端为敞口，石英桶与圆柱筒状的线圈同轴放置，上边缘与线圈上边缘基本保持齐平；石英桶内用于填装氧化锆砂；在氧化锆砂上放置氧化锆保温环，氧化锆保温环与石英桶同轴放置；所述的氧化锆保温环是用氧化锆特制的一种环状体，氧化锆保温环的上、下两端为敞口，放置时，氧化锆保温环的上边缘与石英桶的上边缘保持齐平；放置好氧化锆保温环后，在氧化锆保温环与石英桶之间的空隙继续填充氧化锆砂，氧化锆砂上边缘比石英桶和氧化锆保温环略低；

氧化锆保温环内同轴放置一个钼制的圆柱筒状的钼皮，钼皮为一层薄壁结构，其直径比氧化锆保温环略小，靠近氧化锆保温环的内侧壁；钼皮的上、下两端为敞口；钼皮的上端口配套设置有可以取下的钼皮盖；钼皮盖中央设置长条状的钼皮盖开口，钼皮盖开口贯穿钼皮盖；盖上钼皮盖后，钼皮盖上表面与氧化锆保温环的上边缘尽量保持齐平；

钼皮内同轴放置一个钼制的圆柱筒状的加热体，加热体的上、下两端为敞口；加热体的上端口配套设置有可以取下的加热体盖；加热体盖中央设置长条状的加热体盖开口，加热体盖开口贯穿加热体盖；盖上加热体盖后，加热体盖上表面贴近钼皮盖下表面，且加热体盖开口与钼皮盖开口正对相通，加热体盖开口比钼皮盖开口略小；加热体的直径比钼皮的直径小，放置时与钼皮有空隙；

加热体内底部先水平放置一个圆形的氧化锆垫板；之后同轴放置模具，氧化锆垫板支撑在模具底部；所述的模具包括两块对称安装的片状模板和一个用于放置模板的圆形坩埚，模具中的圆形坩埚配套有圆形的坩埚盖，坩埚盖中央设置长条状的坩埚盖开口，坩埚盖开口贯穿坩埚盖；盖上坩埚盖后，坩埚盖上表面贴近加热体盖下表面，且坩埚盖开口与加热体盖开口正对相通，坩埚盖开口比加热体盖开口略小；模具中的两块模板的顶面设置为向内倾斜的斜面，从而在两块模板顶面形成V字型槽；钼皮盖开口、加热体盖开口、坩埚盖开口露出两块模板顶面的V字型槽；

所述的加热保温装置还包括一个圆柱体状的石墨制成的石墨保温桶；石墨保温桶中央设置有一个矩形通道，矩形通道贯穿石墨保温桶的上下面，石墨保温桶的底面中央为保温桶凹槽，保温桶凹槽的侧壁上对称设置有两个观察孔，观察孔处安装有透明的蓝宝石镜片；将石墨保温桶同轴放置在氧化锆保温环的上表面，石墨保温桶的下边缘搭接在氧化锆保温环的上表面上；籽晶杆可以穿过石墨保温桶的矩形通道，并穿过钼皮盖开口、加热体盖开口、坩埚盖开口抵达模具的两块模板顶面的V字型槽。

2.如权利要求1所述的导模法生产稀土共晶荧光体的加热保温装置，其特征在于：所述的底座是圆柱体状的耐火砖或者是圆柱体状的氧化铝砖。

3.如权利要求1所述的导模法生产稀土共晶荧光体的加热保温装置，其特征在于：所述的底座的上表面设置圆形的底座凹槽，石英桶的下边缘放置在底座凹槽内。

4.如权利要求1所述的导模法生产稀土共晶荧光体的加热保温装置，其特征在于：所述的石英桶内侧壁还铺设一层耐火棉将石英桶与氧化锆砂隔离开来。

5.如权利要求1所述的导模法生产稀土共晶荧光体的加热保温装置，其特征在于：所述的氧化锆保温环为三段式结构，连接部位为插接形式的凸起和插槽结构。

6.如权利要求1-5任一所述的导模法生产稀土共晶荧光体的加热保温装置，其特征在于：所述的模具还包括用于将两块模板相对紧固在一起的紧固装置；两块模板的形状、尺寸相同，呈矩形；模板底面为平面，且底面对称开设有两个通道槽，通道槽贯穿模板前、后面，两块模板的中部相同位置设置两个对称的圆形的通孔；所述的紧固装置包括螺纹杆和螺母，螺纹杆用于穿过两块模板的圆形通孔，之后用两个螺母从两块模板外侧进行旋紧固定；且两块模板之间需要保持0.2-0.3mm的间隙；具体的，采用0.2-0.3mm粗的钨丝缠绕在两块模板之间螺纹杆上；将两块模板相对紧固在一起后，竖直放置在坩埚内部中央；两块模板的顶面V字型槽夹角大于90°小于180°。

7.一种应用上述加热保温装置的晶体生长炉，其特征是：包括不锈钢炉体，炉体前面为可以打开的具有密封功能的炉门，炉门中央为耐高温、透明材料制成门板、可以透过门板观察炉体内部晶体生长情况；炉体炉腔内部底部中央设置上述加热保温装置；加热保温装置正上方、与炉腔同轴设置有一根籽晶杆，籽晶杆下端安装籽晶与晶体接触以用于晶体生长，籽晶杆上端从炉体顶部伸出连接在升降装置上，通过升降装置控制籽晶杆上下移动；炉体底部和顶部上开设有与炉腔相通的孔，用于向炉体内充气；

所述的晶体生长炉还设置有用于对炉体内抽气、充气的扩散泵和机械泵；还包括用于给炉体降温的冷却装置、控制柜、供电电源等，控制柜用于调控炉体的运行；供电电源为线圈、机械泵、炉体顶部的升降装置、控制柜等用电设备供电。

8.如权利要求7所述的晶体生长炉，其特征是：所述的冷却装置采用冷却水循环给炉体快速降温，具体地、炉体为夹层结构，夹层内布置环绕炉体的换热水管，换热水管的进水端口和出水端口连接到炉体外的冷却水循环系统中，通过水泵使冷却水在换热水管内流通将炉体内的热量带走。

9.如权利要求7所述的晶体生长炉，其特征是：所述的籽晶杆下端安装的籽晶采用横截面不小于5×5mm，长度不低于50mm的方向干净籽晶，可选择的籽晶种类包含构成共晶物相的YAG或Al2O3，籽晶下端为V字形末端，且做倒角处理；采用钨丝绑在夹具上。

10.如权利要求7所述的晶体生长炉，其特征是：晶体生长炉还配备备用供电电源。

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