CN114736006B - 一种具有梳状导热结构的复合荧光陶瓷及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有梳状导热结构的复合荧光陶瓷及其制备方法，所述的具有梳状导热结构的复合荧光陶瓷包括梳状导热结构和嵌入梳齿之间的荧光层，所述梳状导热结构包含梳齿结构的导热层和梳背结构的导热连接部；所述导热层与荧光层在导热连接部上表面上交替排布，梳齿形成的导热层与荧光层接触面积大，荧光层可快速将热量传递至导热层。导热层具有更高的热导率，且垂直于热沉，热量沿着导热层传导至梳背导热连接部，梳背导热连接部与热沉有良好的接触可快速将热量传导至热沉。本发明提供的一种具有梳状导热结构的复合荧光陶瓷具有导热效率高、发光效率高的特点，有效缓解高功率密度激光泵浦下出现的荧光衰减和荧光饱和现象。

Description

一种具有梳状导热结构的复合荧光陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明涉及激光照明用荧光材料领域，具体地说，涉及一种具有梳状导热结构的复合荧光陶瓷及其制备方法。

背景技术

荧光转换激光照明技术具有超高亮度、长寿命、节能以及结构紧凑等突出优势，在汽车前照灯、机场照明、多媒体投影仪等高亮度需求领域具有潜在的应用。不同于蓝光LED芯片，450 nm蓝光LDs具有超高的功率密度、无明显的效率下降问题，在实现超高亮度中优势突出。然而，正是因为其超高的功率密度，在激光辐照区域将会产生大量的热累积，从而使荧光材料的温度急剧升高，最终导致出现热诱导的发光饱和现象，这成为了阻碍超高亮度激光照明器件发展的主要因素之一。现阶段商用的有机树脂或硅胶封装的YAG: Ce黄色荧光粉，因其中的有机物封装材料的耐温性差（Tg < 150℃）、热导率低（0.1-0.4 W/m·K）等问题，难以满足激光照明中对于荧光材料耐热性及热导率的要求。此外，由于热管理系统的复杂性与高困难程度，开发一种高效、热稳定的新型荧光材料成为了获得高亮度激光照明器件的重中之重。

目前，玻璃陶瓷荧光体、单晶荧光体、透明陶瓷、复合荧光陶瓷等具有优异耐热性的材料已经被广泛研究。其中，玻璃陶瓷材料受限于玻璃基质的低热导率（< 3 W/m·K），难以获得材料整体的热导率的较大改善。透明陶瓷以及单晶材料由于稀土离子掺杂浓度较低以及缺乏散射中心，大部分的激发光不能够被荧光材料吸收，导致较低的流明效率。复合荧光陶瓷是一种将具有优异荧光性能的荧光粉分散于具有较高热导率的基质材料（如Al₂O₃、MgO等）形成的复合材料。其结合了两者的优势，成为了高功率激光照明及显示用荧光材料的研究热点。然而，仅当高导热相含量较多时，高导热相形成连续相后，才能在较大程度上的改善体系整体的热导率。而且，其简单的混合方式以及高导热相含量，使得内部的散射十分复杂、稀释了激活离子浓度，最终导致其热导率与荧光性能呈现出矛盾的关系。特别是量子效率的降低，将会导致更多的能量转换成热能，降低了其流明效率、加剧发光饱和效应。因此，设计一种兼具高热导率和高发光效率的荧光材料具有重要的意义。

发明内容

本发明的技术目的是提供一种用于激光照明的复合荧光陶瓷，其具有高导热系数、高量子效率、高发光密度的特点。可有效地缓解高功率密度激光泵浦下的热积聚效应，降低荧光热猝灭，提升高功率密度激光泵浦下的发光效率。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：

一种具有梳状导热结构的复合荧光陶瓷，由梳状导热结构和嵌入梳状导热结构中排布的荧光层组成；所述梳状导热结构包含梳齿结构的导热层和梳背结构的导热连接部；所述导热层与荧光层在导热连接部上表面上交替排布，且导热层与荧光层的下端面与导热连接部相连接，所述导热层用于收集荧光层产生的热量，并沿着导热层传导至梳背结构的导热连接部，然后传导至热沉。

在一些实施例中，所述的梳状导热结构的材质为Al₂O₃、MgO或AlN。

在一些实施例中，所述的荧光层由基质和激活离子组成，基质为Lu₃Al₅O₁₂、Y₃Al₅O₁₂、CaF₂中的一种或多种的组合，激活离子为Ce³⁺、Sm³⁺、Eu²⁺、Eu³⁺、Tb³⁺、Dy³⁺中的一种或多种的组合。

在一些具体实施例中，所述的梳状导热结构的材质为Al₂O₃，荧光层的材质为Lu_2.985Ce_0.015Al₅O₁₂。

在一些实施例中，所述导热层与荧光层具有相同的长度和宽度，所述的导热层（荧光层间隔）厚度为0.1-300 μm；所述的荧光层（梳齿间隔）厚度为0.1-300 μm；梳背结构的导热连接部的高度为100-500 μm。

在一些实施例中，通过调节导热层与荧光层的厚度调节复合陶瓷材料的导热系数；所述的导热层占导热层与荧光层之和的体积占比为20-60%。

上述具有梳状导热结构的复合荧光陶瓷的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

S10：分别制备梳状导热结构和荧光层对应的前驱体粉末；

S20：称量梳齿结构的导热层所需的质量，并加入方形模具中铺平、压实；

S30：称量荧光层所需的质量，并加入方形模具中铺平、压实；

S40：重复S20、S30步骤，直至达到所需的尺寸，形成交替排布的导热层和荧光层；

S50：将S40制得的复合陶瓷素坯脱模，并翻转，使得导热层和荧光层的叠层方向平行于模具轴向；

S60：称量梳背结构的导热连接部所需的质量，并加入方形模具中铺平、压实；

S70：将复合陶瓷素坯脱模，并在200MPa下冷等静压30min；

S80：高温烧结所述陶瓷素坯，

S90：将烧结后的陶瓷沿垂直于叠层方向进行切割获得复合荧光陶瓷。

在一些实施例中，所述S10步骤包括如下步骤：

S11：按照梳状导热结构或荧光层的化学式中各元素的化学计量比称取原料粉体；

S12：将原料、烧结助剂与无水乙醇置于球磨罐中球磨混合获得混合浆料；

S13：将混合浆料干燥并碾碎，获得梳状导热结构或荧光层的前驱体粉末。

另外，本发明还提供上述的具有梳状导热结构的复合荧光陶瓷在激光照明器件中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：本发明提供的一种具有梳状导热结构的复合荧光陶瓷具有导热效率高、发光效率高的特点，有效缓解高功率密度激光泵浦下出现的荧光衰减和荧光饱和现象。具有以下优点：

（1）导热层和荧光层接触面大，可快速将荧光层热量传导至导热层。导热层为连续的高导热材料，垂直于热沉，可沿着导热层快速将热量传导至梳背导热连接部并传导至热沉。由于缓解了热积聚效应，对材料的耐热性、热稳定性的考验降低，同时也可以提升发光效率。

（2）荧光层两侧均为导热层，荧光层和导热层具有显著的折射率差，荧光层发出的光在传输至界面处将发生反射甚至是全反射，光子更多的集中于荧光层，减弱导热层材料对于发光性能的影响，提升发光效率。

（3）荧光层发出的光子集中分布于荧光层，减弱导热层对于发光性能的影响。此外，由于实现了光子与声子的分流，光热的交叉影响得到缓解。由于热量主要经过导热层传导，光子主要通过荧光层传输，声子和光子实现了分流，光热的相互影响将减弱，有利于高效发光。

（4）由于高导热通道的存在，使得热传导具有方向性，加强了该方向上的导热率。使得采用少量的导热材料，可以较大程度上增强复合陶瓷的整体导热率，使得荧光层占比更大。缓解了普通复合荧光陶瓷发光性能和热导率间的矛盾问题。

附图说明

图1 具有梳状导热结构的复合荧光陶瓷结构示意图；

图2 具有梳状导热结构的复合荧光陶瓷的微观形貌图；

图3 具有梳状导热结构的复合荧光陶瓷的光致发光光谱；

图4 具有梳状导热结构的复合荧光陶瓷的光通量与激光泵浦功率密度的关系。

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，所描述的实施例仅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条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

出于本说明书和所附权利要求书的目的，除非另有陈述，否则所有表达量、百分数或比例的数字及本说明书和所附权利要求书中所用的其它数值被理解为在所有情况下都由术语“约”修饰。此外，本文公开的所有范围都包括端点在内且可独立组合。

实施例1

本实施例中，复合荧光陶瓷由Al₂O₃导热层1和Lu_2.985Ce_0.015Al₅O₁₂荧光层2、Al₂O₃导热连接部3组成。导热层的厚度为150 μm（40vol.%），荧光层厚度为225μm（60vol.%）。按照Lu_2.985Ce_0.015Al₅O₁₂荧光层的分子式称取Al₂O₃、Lu₂O₃、CeO₂粉体，添加0.08wt.%MgO、0.8wt.%TEOS作为烧结助剂并充分球磨混合均匀。根据各层的厚度及密度计算各层的质量。依次取导热层、荧光层对应的前驱体粉末，铺平并压实，重复20次。将制得的复合陶瓷素坯脱模，并翻转，使得导热层和荧光层的叠层方向平行于模具轴向；称量梳背结构的导热连接部所需的质量，并加入方形模具中铺平、压实；然后将复合陶瓷素坯脱模，并在200MPa下冷等静压30min。然后在1750℃的条件下进行真空烧结6h得到复合荧光陶瓷，最后将陶瓷在1450℃下退火20h。将复合陶瓷沿着层叠方向切片并抛光，得到不同厚度的层状结构的复合荧光陶瓷片。

图2为具有梳状导热结构的复合荧光陶瓷的微观形貌图。图中可以清晰的分辨出紧密接触的深色与浅色两个区域，且深色区域略小、白色区域略多。结合EDS数据可知深色区域的为Al₂O₃区域、浅色区域的为LuAG: Ce区域。Al₂O₃区域平均宽~155μm，LuAG: Ce区域平均宽~210μm，深色区域占比~42.5%，与实验设计中的Al₂O₃含量占比40%较为接近。导热层为40vol.%的层状阵列结构复合荧光陶瓷的计算热导率为18.3 W/m·K，比普通复合荧光陶瓷（15.2 W/m·K）提升20%，量子效率为86.1%。采用450nm的蓝光激发，其发射光谱如图3所示。在蓝光激光功率为27.22 W/mm²泵浦下，绿光光通量为3013 lm，流明效率为220 lm/W，流明密度为5994 lm/mm²，如图4所示。

实施例2

本实施例中，复合荧光陶瓷由Al₂O₃导热层1和Lu_2.985Ce_0.015Al₅O₁₂荧光层2、Al₂O₃导热连接部3组成。导热层的厚度为150 μm（60vol.%），荧光层厚度为100 μm（40vol.%）。按照Lu_2.985Ce_0.015Al₅O₁₂荧光层的分子式称取Al₂O₃、Lu₂O₃、CeO₂粉体，添加0.08wt.%MgO、0.8wt.%TEOS作为烧结助剂并充分球磨混合均匀。根据各层的厚度及密度计算各层的质量。依次取导热层、荧光层对应的前驱体粉末，铺平并压实，重复20次。将制得的复合陶瓷素坯脱模，并翻转，使得导热层和荧光层的叠层方向平行于模具轴向；称量梳背结构的导热连接部所需的质量，并加入方形模具中铺平、压实；然后将复合陶瓷素坯脱模，并在200MPa下冷等静压30min。然后在1750℃的条件下进行真空烧结6h得到复合荧光陶瓷，最后将陶瓷在1450℃下退火20h。将复合陶瓷沿着层叠方向切片并抛光，得到不同厚度的层状结构的复合荧光陶瓷片。该复合荧光陶瓷的计算热导率为22.8 W/m·K，实测热导率为21.5 W/m·K，量子效率为79.7%。

实施例3

本实施例中，复合荧光陶瓷由Al₂O₃导热层1和Lu_2.985Ce_0.015Al₅O₁₂荧光层2、Al₂O₃导热连接部3组成。导热层的厚度为100 μm（50vol.%），荧光层厚度为100 μm（50vol.%）。按照Lu_2.985Ce_0.015Al₅O₁₂荧光层的分子式称取Al₂O₃、Lu₂O₃、CeO₂粉体，添加0.08wt.%MgO、0.8wt.%TEOS作为烧结助剂并充分球磨混合均匀。根据各层的厚度及密度计算各层的质量。依次取导热层、荧光层对应的前驱体粉末，铺平并压实，重复20次。将制得的复合陶瓷素坯脱模，并翻转，使得导热层和荧光层的叠层方向平行于模具轴向；称量梳背结构的导热连接部所需的质量，并加入方形模具中铺平、压实；然后将复合陶瓷素坯脱模，并在200MPa下冷等静压30min。然后在1750℃的条件下进行真空烧结6h得到复合荧光陶瓷，最后将陶瓷在1450℃下退火20h。将复合陶瓷沿着层叠方向切片并抛光，得到不同厚度的层状结构的复合荧光陶瓷片。该复合荧光陶瓷的计算热导率为20.6 W/m·K，实测热导率为19.3 W/m·K，量子效率为82.2%。

实施例4

本实施例中，复合荧光陶瓷由Al₂O₃导热层1和Lu_2.985Ce_0.015Al₅O₁₂荧光层2、Al₂O₃导热连接部3组成。导热层的厚度为60 μm（30vol.%），荧光层厚度为140 μm（70vol.%）。按照Lu_2.985Ce_0.015Al₅O₁₂荧光层的分子式称取Al₂O₃、Lu₂O₃、CeO₂粉体，添加0.08wt.%MgO、0.8wt.%TEOS作为烧结助剂并充分球磨混合均匀。根据各层的厚度及密度计算各层的质量。依次取导热层、荧光层对应的前驱体粉末，铺平并压实，重复20次。将制得的复合陶瓷素坯脱模，并翻转，使得导热层和荧光层的叠层方向平行于模具轴向；称量梳背结构的导热连接部所需的质量，并加入方形模具中铺平、压实；然后将复合陶瓷素坯脱模，并在200MPa下冷等静压30min。然后在1750℃的条件下进行真空烧结6h得到复合荧光陶瓷，最后将陶瓷在1450℃下退火20h。将复合陶瓷沿着层叠方向切片并抛光，得到不同厚度的层状结构的复合荧光陶瓷片。该复合荧光陶瓷的计算热导率为16.0 W/m·K，实测热导率为15.0 W/m·K，量子效率为83.3%。

实施例5

本实施例中，复合荧光陶瓷由Al₂O₃导热层1和Lu_2.985Ce_0.015Al₅O₁₂荧光层2、Al₂O₃导热连接部3组成。导热层的厚度为40 μm（20vol.%），荧光层厚度为160 μm（80vol.%）。按照Lu_2.985Ce_0.015Al₅O₁₂荧光层的分子式称取Al₂O₃、Lu₂O₃、CeO₂粉体，添加0.08wt.%MgO、0.8wt.%TEOS作为烧结助剂并充分球磨混合均匀。根据各层的厚度及密度计算各层的质量。依次取导热层、荧光层对应的前驱体粉末，铺平并压实，重复20次。将制得的复合陶瓷素坯脱模，并翻转，使得导热层和荧光层的叠层方向平行于模具轴向；称量梳背结构的导热连接部所需的质量，并加入方形模具中铺平、压实；然后将复合陶瓷素坯脱模，并在200MPa下冷等静压30min。然后在1750℃的条件下进行真空烧结6h得到复合荧光陶瓷，最后将陶瓷在1450℃下退火20h。将复合陶瓷沿着层叠方向切片并抛光，得到不同厚度的层状结构的复合荧光陶瓷片。该复合荧光陶瓷的计算热导率为13.7 W/m·K，实测热导率为12.8 W/m·K，量子效率为81.6%。

以上已以较佳实施例公开了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种具有梳状导热结构的复合荧光陶瓷，其特征在于：由梳状导热结构和嵌入梳状导热结构中排布的荧光层组成；所述梳状导热结构包含梳齿结构的导热层和梳背结构的导热连接部；所述导热层与荧光层在导热连接部上表面上交替排布，且导热层与荧光层的下端面与导热连接部相连接，所述导热层用于收集荧光层产生的热量，并沿着导热层传导至梳背结构的导热连接部，然后传导至热沉；

所述的梳状导热结构的材质为Al₂O₃，荧光层的材质为Lu_2.985Ce_0.015Al₅O₁₂；

所述导热层与荧光层具有相同的长度和宽度，所述的导热层厚度为0.1-300 μm；所述的荧光层厚度为0.1-300 μm；梳背结构的导热连接部的高度为100-500 μm；

通过调节导热层与荧光层的厚度调节复合陶瓷材料的导热系数；所述的导热层占导热层与荧光层之和的体积占比为20-60%。

2.一种具有梳状导热结构的复合荧光陶瓷的制备方法，用于制备权利要求1所述的具有梳状导热结构的复合荧光陶瓷，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

S10：分别制备梳状导热结构和荧光层对应的前驱体粉末；

S20：称量梳齿结构的导热层所需的质量，并加入方形模具中铺平、压实；

S30：称量荧光层所需的质量，并加入方形模具中铺平、压实；

S40：重复S20、S30步骤，直至达到所需的尺寸，形成交替排布的导热层和荧光层；

S50：将S40制得的复合陶瓷素坯脱模，并翻转，使得导热层和荧光层的叠层方向平行于模具轴向；

S60：称量梳背结构的导热连接部所需的质量，并加入方形模具中铺平、压实；

S70：将S60制得的复合陶瓷素坯脱模，并在200MPa下冷等静压30min；

S80：高温烧结S70制得的复合陶瓷素坯；

S90：将烧结后的陶瓷沿垂直于叠层方向进行切割获得复合荧光陶瓷。

3.根据权利要求2所述的具有梳状导热结构的复合荧光陶瓷的制备方法，其特征在于，所述S10步骤包括如下步骤：

S11：按照梳状导热结构或荧光层的化学式中各元素的化学计量比称取原料粉体；

S12：将原料、烧结助剂与无水乙醇置于球磨罐中球磨混合获得混合浆料；

S13：将混合浆料干燥并碾碎，获得梳状导热结构或荧光层的前驱体粉末。

4.根据权利要求1所述的具有梳状导热结构的复合荧光陶瓷在激光照明器件中的应用。

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