CN112592064B - 一种Ce:YAG微晶玻璃及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种Ce:YAG微晶玻璃的制备方法，该微晶玻璃的基质组分为SiO2‑B2O3‑Al2O3‑Y2O3‑BaO，首先配置Ce3+、Y3+、Al3+的硝酸盐溶液和碳酰胺溶液，混合后控制溶液pH值，加热搅拌直至形成凝胶；然后将凝胶放置马弗炉中燃烧，得到Ce:YAG前驱体，进行研磨过筛，得到尺寸均匀的Ce:YAG前驱体粉末；再将Ce:YAG前驱体粉末和适合比例的SiO2、B2O3、Al2O3、Y2O3、BaO玻璃原料充分混合均匀，放在马弗炉中熔化取出浇筑，之后进行退火，最后得到黄色的Ce:YAG微晶玻璃。Ce:YAG微晶玻璃结合了玻璃和荧光粉的特点，具有制备工艺简单易成型、良好的光学性能和机械性能、较高的玻璃转变温度和热导率、低的热膨胀系数等特点，可以实现在白光LED照明器件中的应用。

Description

一种Ce:YAG微晶玻璃及制备方法
技术领域
本发明提供一种Ce:YAG微晶玻璃及制备方法，属于微晶玻璃制备技术领域。
背景技术
近代以来，照明光源随着人类的发展经历了从白炽灯到荧光灯再到目前广泛应用的白光LED照明灯具的颠覆性的变革。随着人们对节能环保和低碳发展不断中试，传统的白炽灯和荧光灯存在发光效率低、能耗高、存在污染等问题，将会逐渐被淘汰。白光LED具有体积小、寿命长、高效节能等特点，逐渐成为第四代新型照明光源。
白光LED器件相比传统光源具有明显的优势，但是在实际应用过程中也存在一些问题。在长时间工作或者高功率照明时会封装材料的黄化、透过率降低等问题，导致出现LED的光效和寿命降低、蓝光溢出等质量问题；此外，荧光粉的折射率相比于封装材料有较大的差异，会出现荧光粉表面散射加强而降低发光效率的现象。
因此为了解决上述问题，需要制备一种发光效率高、无封装材料的新型白光 LED材料，实现白光LED照明器件的高效率高稳定输出。
发明内容
1.本发明提出了一种Ce:YAG微晶玻璃的制备方法，结合了玻璃和荧光粉的特点，具有制备工艺简单易成型、良好的光学性能和机械性能、较高的玻璃转变温度和热导率、低的热膨胀系数等特点，可以实现在白光LED照明器件中的应用。
2.本发明的技术方案如下：
一种Ce:YAG微晶玻璃的制备方法，该微晶玻璃的基质组分为 SiO2-B2O3-Al2O3-Y2O3-BaO，具体制备步骤如下：
步骤一：配置Ce3+、Y3+、Al3+的硝酸盐溶液和碳酰胺溶液，按一定的比例混合后，将溶液pH 值控制在3-5之间，进行加热搅拌直至形成凝胶；
步骤二：将形成的凝胶放置在550℃的马弗炉中燃烧，得到Ce:YAG前驱体，进行研磨过筛，得到尺寸均匀的Ce:YAG前驱体粉末；
步骤三：将Ce:YAG前驱体粉末和适合比例的SiO2、B2O3、Al2O3、Y2O3、 BaO玻璃原料充分混合均匀，放在1400℃的马弗炉中熔化1小时取出浇筑，之后进行退火，得到黄色的Ce:YAG微晶玻璃。
优选的，步骤一中，Ce3+、Y3+、Al3+的硝酸盐溶液的总浓度为0.2mol/L， Ce3+与Y3+的摩尔比为3:17，碳酰胺溶液的浓度为2.0mol/L。
优选的，步骤一中，采用溶胶-凝胶的方法制备得到Ce:YAG前驱体溶液，将混合好的溶液进行加热搅拌，最终得到凝胶。其中初始加热温度为180℃，搅拌速率为300r/min，当溶液向溶胶转变时，加热温度调整为60℃，搅拌速率为 120r/min，直到得到凝胶。
优选的，将得到的凝胶放入马弗炉中进行燃烧，除去有机物。其中燃烧温度为550℃，燃烧时间为10min。
优选的，将得到的Ce:YAG前驱体进行研磨过筛，研磨时间为20min，采用 400目的筛子过筛，得到尺寸均匀Ce:YAG前驱体粉末。
优选的，步骤三中，玻璃原料摩尔百分比为10％-25％SiO2、50％-60％B2O3、 5％-10％Al2O3、5％-10％Y2O3、10％-15％BaO。
优选的，步骤三中，Ce:YAG微晶玻璃采用熔融法制备，其中，熔制温度为 1400℃，时间为1小时，搅拌时间为30min，之后浇筑并退火，退火温度为680℃，保温时间为5小时，降温速率为3℃/min，当温度降至60℃，打开退火炉，自然冷却至室温。
有益效果
1.本发明采用溶胶-凝胶法将Ce3+、Y3+、Al3+的硝酸盐和碳酰胺的混合溶液，制备得到了Ce:YAG前驱体凝胶，然后经过燃烧、研磨、过筛得到了尺寸均匀 Ce:YAG前驱体粉末；采用SiO2-B2O3-Al2O3-Y2O3-BaO基质玻璃作为微晶玻璃的基质体系，其中B2O3作为玻璃形成体和网络调节体，降低了玻璃熔制温度，BaO 可以调节提高玻璃的折射率，减小Ce:YAG荧光粉表面散射，Y2O3和Al2O3可以减缓熔融玻璃液消耗Ce:YAG前驱体粉末。
2.将Ce:YAG前驱体粉末和SiO2、B2O3、Al2O3、Y2O3、BaO玻璃原料混合，经过熔融法制备得到Ce:YAG微晶玻璃。该方法可以在实现微晶玻璃制备的同时，利用高温完成Ce:YAG晶相成形和晶粒长大。不需要提前制备基质玻璃、没有玻璃晶化处理过程，不需要采用玻璃料和Ce:YAG荧光粉混合制备微晶玻璃。
3.采用本发明方法制备得到的Ce:YAG微晶玻璃具有良好的透明度和光学性能、Ce:YAG微晶分布均匀，XRD测试发现该玻璃中只有Ce:YAG单一晶相。
附图说明
图1为制备得到的Ce:YAG微晶玻璃；
图2为对比例4制备得到的Ce:YAG微晶玻璃样品；
图3为Ce:YAG微晶玻璃的XRD衍射图；
图4为不同Ce3+掺杂浓度的Ce:YAG微晶玻璃的荧光光谱。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明做进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
表1列出了实施例1-3和对比例4的玻璃组分配方。
表1实施例1-3的组分配方
组分 实施例1 实施例2 实施例3 对比例4
SiO<sub>2</sub> 10 20 25 27
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 60 55 50 48
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 10 8 5 4
Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 5 7 10 4
BaO 15 12 10 17
实施例1-3和对比例4的制备过程如下：
配置Ce3+、Y3+、Al3+的硝酸盐和碳酰胺混合溶液，Ce3+、Y3+、Al3+的硝酸盐溶液的总浓度为0.2mol/L，Ce3+与Y3+的摩尔比为3:17，碳酰胺溶液的浓度为2.0 mol/L，将混合好的溶液进行加热搅拌，初始加热温度为180℃，搅拌速率为300 r/min，当溶液向溶胶转变时，加热温度调整为60℃，搅拌速率为120r/min，直到得到凝胶。将得到的凝胶放入马弗炉中进行燃烧，除去有机物。燃烧温度为550℃，燃烧时间为10min，得到的Ce:YAG前驱体，并进行研磨过筛，研磨时间为20min，采用400目的筛子过筛，得到尺寸均匀Ce:YAG前驱体粉末。
将Ce:YAG前驱体粉末和适合比例的SiO2、B2O3、Al2O3、Y2O3、BaO玻璃原料充分混合均匀，采用熔融法制备Ce:YAG微晶玻璃，熔制温度为1400℃，时间为1小时，搅拌时间为30min，之后浇筑并退火，退火温度为680℃，保温时间为5小时，降温速率为3℃/min，当温度降至60℃，打开退火炉，自然冷却至室温，得到图1所示的Ce:YAG微晶玻璃，可以看出该玻璃具有良好的透过率，Ce:YAG微晶分布均匀，没有出现局部失透现象，而对比例4制备得到的样品出现了Ce:YAG微晶团聚和玻璃局部失透现象，说明超出上述玻璃成形范围，无法达到本发明所需要达到的有益效果。
如图2所示，由XRD衍射图可以看出得到的Ce:YAG微晶玻璃具有单一的 Ce:YAG晶相。如图3所示的荧光光谱图可以看出该玻璃的发射峰位于530nm 附近。该Ce:YAG微晶玻璃具有良好的宽带激发峰，可以与蓝光芯片的激发峰重合，能够应用于白光LED照明。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (7)

1.一种Ce:YAG微晶玻璃的制备方法，其特征在于，所制备的微晶玻璃的基质组分为SiO2-B2O3-Al2O3- Y2O3-BaO，具体制备步骤如下：
步骤一：配置Ce3+、Y3+、Al3+的硝酸盐溶液和碳酰胺的溶液，按一定的比例混合后，溶液pH 值控制在3-5之间，进行加热搅拌直至形成凝胶；
步骤二：将形成的凝胶放置在550 ℃的马弗炉中燃烧，得到Ce:YAG前驱体，进行研磨过筛，得到尺寸均匀的Ce:YAG前驱体粉末；
步骤三：将Ce:YAG前驱体粉末和SiO2、B2O3、Al2O3、Y2O3、BaO玻璃原料充分混合均匀，所述玻璃原料摩尔百分比为10%-25%SiO2、50%-60%B2O3、5%-10%Al2O3、5%-10%Y2O3、10%-15%BaO；放在1400 ℃的马弗炉中熔化1小时取出浇筑，之后进行退火，得到黄色的Ce:YAG微晶玻璃。
2.按权利要求1所述的Ce:YAG微晶玻璃的制备方法，其特征在于，步骤一中，Ce3+、Y3+、Al3+的硝酸盐溶液的总浓度为0.2 mol/L，Ce3+与Y3+的摩尔比为3:17，碳酰胺溶液的浓度为2.0 mol/L。
3.按权利要求1所述的Ce:YAG微晶玻璃的制备方法，其特征在于，步骤一中，采用溶胶-凝胶的方法制备得到Ce:YAG前驱体溶液，将混合好的溶液进行加热搅拌，最终得到凝胶；其中初始加热温度为180 ℃，搅拌速率为300 r/min，当溶液向溶胶转变时，加热温度调整为60 ℃，搅拌速率为120 r/min，直到得到凝胶。
4.按权利要求3所述的Ce:YAG微晶玻璃的制备方法，其特征在于，将得到的凝胶放入马弗炉中进行燃烧，燃烧温度为550 ℃，燃烧时间为10 min。
5.按权利要求3所述的Ce:YAG微晶玻璃的制备方法，其特征在于，将得到的Ce:YAG前驱体进行研磨过筛，研磨时间为20 min，采用400目的筛子过筛，得到尺寸均匀Ce:YAG前驱体粉末。
6.按权利要求1所述的Ce:YAG微晶玻璃的制备方法，其特征在于，Ce:YAG微晶玻璃采用熔融法制备；其中，熔制温度为1400 ℃，时间为1小时，搅拌时间为30 min，之后浇筑并退火，退火温度为680 ℃，保温时间为5小时，降温速率为3 ℃/min，当温度降至60 ℃，打开退火炉，自然冷却至室温。
7.一种Ce:YAG微晶玻璃，其特征在于，按权利要求1-6任一项所述的Ce:YAG微晶玻璃的制备方法制备而成。
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CN104529166A (zh) * 2014-12-16 2015-04-22 温州大学 一种Ce:YAG微晶玻璃及其在白光LED中的应用
CN106517797A (zh) * 2016-10-20 2017-03-22 福建省德化县腾兴陶瓷有限公司 暖白光led用微晶玻璃及制备方法

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