RU2808387C1 - Способ получения люминесцентной керамики, содержащей фазу YAG:Ce, для источников белого света - Google Patents
Способ получения люминесцентной керамики, содержащей фазу YAG:Ce, для источников белого света Download PDFInfo
- Publication number
- RU2808387C1 RU2808387C1 RU2023121685A RU2023121685A RU2808387C1 RU 2808387 C1 RU2808387 C1 RU 2808387C1 RU 2023121685 A RU2023121685 A RU 2023121685A RU 2023121685 A RU2023121685 A RU 2023121685A RU 2808387 C1 RU2808387 C1 RU 2808387C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- powder
- cerium
- ceramics
- vol
- white light
- Prior art date
Links
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 title claims abstract description 70
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 21
- 229910019990 cerium-doped yttrium aluminum garnet Inorganic materials 0.000 title claims description 15
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 31
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 18
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N Tetraethyl orthosilicate Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)OCC BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- QQZMWMKOWKGPQY-UHFFFAOYSA-N cerium(3+);trinitrate;hexahydrate Chemical compound O.O.O.O.O.O.[Ce+3].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O QQZMWMKOWKGPQY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- JGDITNMASUZKPW-UHFFFAOYSA-K aluminium trichloride hexahydrate Chemical compound O.O.O.O.O.O.Cl[Al](Cl)Cl JGDITNMASUZKPW-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims abstract description 6
- 229940009861 aluminum chloride hexahydrate Drugs 0.000 claims abstract description 6
- IINACGXCEZNYTF-UHFFFAOYSA-K trichloroyttrium;hexahydrate Chemical compound O.O.O.O.O.O.[Cl-].[Cl-].[Cl-].[Y+3] IINACGXCEZNYTF-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims abstract description 6
- 239000007858 starting material Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 49
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 10
- 239000010413 mother solution Substances 0.000 claims description 10
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 9
- GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N cerium Chemical compound [Ce] GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 7
- 238000003826 uniaxial pressing Methods 0.000 claims description 7
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 6
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 claims description 5
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 4
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 claims description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 4
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims 2
- 238000004062 sedimentation Methods 0.000 claims 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 20
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 17
- -1 cerium cations Chemical class 0.000 abstract description 14
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 abstract description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 7
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- HSJPMRKMPBAUAU-UHFFFAOYSA-N cerium(3+);trinitrate Chemical class [Ce+3].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O HSJPMRKMPBAUAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 abstract 1
- PCMOZDDGXKIOLL-UHFFFAOYSA-K yttrium chloride Chemical class [Cl-].[Cl-].[Cl-].[Y+3] PCMOZDDGXKIOLL-UHFFFAOYSA-K 0.000 abstract 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 16
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 12
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 10
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 10
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 9
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N Urea Chemical compound NC(N)=O XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000004202 carbamide Substances 0.000 description 7
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- JNDMLEXHDPKVFC-UHFFFAOYSA-N aluminum;oxygen(2-);yttrium(3+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Y+3] JNDMLEXHDPKVFC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- BFNBIHQBYMNNAN-UHFFFAOYSA-N ammonium sulfate Chemical compound N.N.OS(O)(=O)=O BFNBIHQBYMNNAN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052921 ammonium sulfate Inorganic materials 0.000 description 5
- 235000011130 ammonium sulphate Nutrition 0.000 description 5
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 5
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 5
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910019901 yttrium aluminum garnet Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 4
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000001354 calcination Methods 0.000 description 4
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 description 4
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 4
- 239000012452 mother liquor Substances 0.000 description 4
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 4
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 4
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N Nitric oxide Chemical compound O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 3
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 3
- 229910000420 cerium oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 description 3
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 3
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 3
- VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L Calcium carbonate Chemical compound [Ca+2].[O-]C([O-])=O VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 description 2
- 238000009694 cold isostatic pressing Methods 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 2
- 238000001513 hot isostatic pressing Methods 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 239000000320 mechanical mixture Substances 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- BMMGVYCKOGBVEV-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoceriooxy)cerium Chemical compound [Ce]=O.O=[Ce]=O BMMGVYCKOGBVEV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoyttriooxy)yttrium Chemical compound O=[Y]O[Y]=O SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 2
- 238000005204 segregation Methods 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N silicon monoxide Chemical class [Si-]#[O+] LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010532 solid phase synthesis reaction Methods 0.000 description 2
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052728 basic metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003818 basic metals Chemical class 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910000019 calcium carbonate Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 1
- DRVWBEJJZZTIGJ-UHFFFAOYSA-N cerium(3+);oxygen(2-) Chemical class [O-2].[O-2].[O-2].[Ce+3].[Ce+3] DRVWBEJJZZTIGJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000000462 isostatic pressing Methods 0.000 description 1
- FUJCRWPEOMXPAD-UHFFFAOYSA-N lithium oxide Chemical compound [Li+].[Li+].[O-2] FUJCRWPEOMXPAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001947 lithium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 239000011858 nanopowder Substances 0.000 description 1
- 238000002203 pretreatment Methods 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000009877 rendering Methods 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 239000013049 sediment Substances 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000007873 sieving Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 229910019655 synthetic inorganic crystalline material Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к способам получения оптически прозрачной люминесцентной керамики, обладающей высокой теплопроводностью, которая может быть применена в изготовлении сверхъярких источников белого света с лазерным возбуждением. Предлагается способ получения люминесцентной керамики, состав которой описывается общей формулой Y(3-x-y)Ce(x)Al(5+y)O12, где 0,01<x<0,3; 0,02<y<0,2, при этом исходными веществами для изготовления композитной керамики являются хлориды алюминия и иттрия, нитраты церия, алюминий хлористый шестиводный, иттрий хлористый шестиводный и церий азотнокислый шестиводный и тетраэтоксисилан. Способ изготовления обеспечивает однородное распределение катионов церия в зернах керамики. Изготовленный материал характеризуется высокой теплопроводностью более 8,5 Вт/м⋅К, высокой интенсивностью люминесценции с максимумом излучения в области 550-570 нм при возбуждении лазерным излучением с длиной волны 450 нм.
Description
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способам получения люминесцентной керамики на основе иттрий-алюминиевого граната, легированной катионами церия. Люминесцентная керамика может быть применена в светоизлучающих устройствах в качестве преобразователя излучения полупроводникового лазера, генерирующего излучение в области 450 нм. В данных источниках люминесцентная керамика частично пропускает или отражает, и частично конвертирует мощное синее излучение лазерного диода в желтую или желто-оранжевую люминесценцию, благодаря чему формируется излучение белого света.
В последние годы мощность источников освещения увеличивается, и лазерные диоды (LD) привлекают внимание в качестве источника света. Источники белого света с LD характеризуются большей яркостью и направленностью, чем широко распространенные в настоящее время светоизлучающие диоды (LED). Важно отметить, что LD и LED генерируют синий свет с максимумом излучения в области 450 нм, для получения белого света используют преобразователи излучения. В стандартных LED в качестве преобразователя излучения используется порошковый люминофор, диспергированный в матрице органического связующего. Недостатком органического связующего является низкая температура разрушения, которая ограничивает рабочую температуру преобразователя излучения в области 100°С. В LD-устройствах температура преобразователя может достигать 300°C, что сопряжено с деградацией органического связующего и преобразователя излучения в целом, поэтому в сверх ярких источниках белого света нельзя использовать смолу.
Таким образом, разработка преобразователя для LD-устройств, в которой люминофорный материал обладал бы превосходной устойчивостью к высоким температурам, имеет важное значение. Наиболее перспективным направлением развития преобразователей излучения для LD считается разработка керамических материалов.
Уровень техники
В изобретении WO2006097876 (A1) Phosphor in polycrystalline ceramic structure and a light-emitting element comprising same (Люминофор в поликристаллической керамической структуре и содержащий его светоизлучающий элемент), опубл. 21.09.2006, описывается керамический материал, который содержит люминофор. В идеале керамика представляет собой смесь оксида алюминия и люминофора на основе иттрий-алюминиевого граната, легированного церием. Материал изготавливают путем смешивания порошков оксида алюминия и люминофора в суспензии с последующим одноосным прессованием и спеканием в горячем изостатическом прессе. Материал обычно содержит от 80 до 99,99 об. % оксида алюминия и от 0,01 до 20 об. % люминофора.
Недостаток заключается в том, что в данном изобретении значительные доли фазы оксида алюминия обеспечивают высокую теплопроводность материала, однако малые доли люминофора оказывают негативное влияние на удельную интенсивность люминесценции.
Известен способ CN113480311A (A1) Preparation method of Ce: YAG fluorescent ceramic emitting warm white light (Метод изготовления люминесцентной керамики на основе иттрий-алюминиевого граната легированного катионами церия (YAG:Ce), предназначенной для излучателей белого света), опубл. 10.08.2021, в котором изготовление люминесцентной керамики осуществляется по этапам:
1) взвешивание исходных порошков высокочистых оксидов в соответствии с расчетным стехиометрическим соотношением Ce:YAG и выполнение предварительной обработки для удаления примесей;
2) добавление к вышеуказанному порошку спекающих добавок, диспергаторов и растворителя, чтобы приготовить суспензию в шаровой мельнице с высоким содержанием твердых веществ и хорошей пластичностью;
3) сушка суспензии в сушильном шкафу и получение керамического порошка;
4) просеивание высушенного керамического порошка через сито;
5) прессование керамического порошка в одноосном прессе для получения компактов;
6) холодное изостатическое прессование керамического компакта, обжиг компакта, вакуумное спекание люминесцентной керамики, отжиг люминесцентной керамики, шлифовка и полировка изделия из люминесцентной керамики.
Недостатком данного способа является то, что для его реализации требуются высокие температуры порядка 1780°С, которые необходимы для твердофазного синтеза люминесцентной керамики из исходных порошков оксидов иттрия, алюминия и церия. Кроме того, использование твердофазных методов синтеза для изготовления керамики на основе YAG:Ce сопряжено с проблемами однородности распределения катионов церия и их сегрегации на границах зерен, что негативно влияет на интенсивности красной компоненты в спектре излучения, а в конечном итоге повышают цветовую температуру источника белого света.
Известен способ CN111056847A Nitrogen oxide fluorescent ceramic with high luminous efficiency and high color rendering index for white light LED and preparation method thereof (Флуоресцентная керамика на основе оксида азота с высокой светоотдачей и высоким индексом цветопередачи для светодиодов белого света и способ ее изготовления), в котором для изготовления люминесцентной керамики, состав которой описывается общей формулой:
(Y1-xCex) 3Al5Li12y(O1-yNy)12, где 0,002≤x≤0,01, 0,0<y≤0,2,
в качестве исходного сырья используются: оксид иттрия, оксид алюминия, оксид церия, оксид лития и нитрид алюминия. Для получения керамического порошка, навески исходных оксидов, в заданных количествах, а также спекающие добавки, абсолютный этанол и мелящие шары помещаются в размольные стаканы планетарной мельницы, после чего их измельчают и гомогенизируют. Керамические порошки прессуют при помощи одноосного пресса в компакты, далее обрабатывают в холодном изостатическом прессе при давлениях до 200 МПа, спекают в вакууме при температурах до 1800°С, и завершают спекание в горячем изостатическом прессе при 1500 - 1750°С.
Недостатком способа является необходимость использования горячего изостатического прессования для достижения заявленных в изобретении характеристик.
Известен способ CN114804850 (A1) Preparation method of fluorescent transparent ceramic with high optical performance (Способ получения флуоресцентной прозрачной керамики с высокими оптическими характеристиками), опубл. 29.07.2022, в котором получение люминесцентной керамики на основе иттрий-алюминиевого граната легированного катионами церия (YAG:Ce) описываемого общей формулой:
(Y0,999Ce0,001)3Al5O12,
включает в себя следующие этапы:
1) прокаливание порошков оксида иттрия, оксида алюминия и оксида церия для удаления органических веществ и влаги;
2) помещение прокаленного порошка в размольные стаканы для шаровой мельницы, при одновременном добавлении порошка карбоната кальция, тетраэтоксисилана, абсолютного этанола, размольных шаров из оксида алюминия и получение суспензии;
3) сушка суспензии, просеивание высушенного порошка для получения однородно диспергированного порошка, который снова прокаливают, а затем после охлаждения снова просеивают для получения конечного порошка;
4) добавление конечного порошка в пресс формы для одноосного прессования, с последующим холодным изостатическим прессованием для получения керамического компакта;
5) предварительный обжиг керамического компакта, затем спекание керамического компакта при низкой температуре в вакууме и, наконец, спекания методом горячего изостатического прессования для получения люминесцентной керамики;
6) отжиг люминесцентной керамики состава.
Этим способом можно получить керамику, с коэффициентом светопропускания в видимом диапазоне более 74%.
Недостатком данного способа является низкая концентрация катионов церия, что негативно сказывается на цветовой температуре источника белого света.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ получения керамического материала, изложенный в изобретении CN115180947 (A) Preparation method of high lumen efficiency ceramic for laser illumination (Метод подготовки керамики с высокой светоотдачей для лазерного освещения), опубл. 14.10.2022. В данном изобретении предложен способ приготовления керамики с высокой светоотдачей для лазерного освещения, на основе иттрий-алюминиевого граната, легированного катионами церия (YAG:Ce) и с центрами рассеяния света в виде включений оксидов магния и кремния. Исходными веществами являются чистые оксиды иттрия, алюминия и церия, которые смешиваются с нанопорошками MgO и SiO2. В результате длительного процесса гомогенизации исходных оксидов в планетарной мельнице, который составляет порядка 12 часов, с применением шаров из оксида циркония, получают керамический порошок для изготовления керамики, состав которого описывается общей формулой
Y2,99Mg(x)Al(5-2x)Si(x)O12:Ce0,01, 2≥x≥0. Из керамического порошка при помощи одноосного прессования с последующим изостатическим прессованием изготавливают компакты, которые потом спекают при температуре 1800°С в вакуумной печи. На завершающей стадии, полученную керамику отжигают при температуре 1400°С. В результате образуется люминесцентный материал, состоящий из фазы YAG:Ce и примесной фазы, обогащенной катионами кремния и магния. При этом примесная фаза концентрируется на границах зерен керамики и выполняет роль рассеивающей среды.
Y2,99Mg(x)Al(5-2x)Si(x)O12:Ce0,01, 2≥x≥0. Из керамического порошка при помощи одноосного прессования с последующим изостатическим прессованием изготавливают компакты, которые потом спекают при температуре 1800°С в вакуумной печи. На завершающей стадии, полученную керамику отжигают при температуре 1400°С. В результате образуется люминесцентный материал, состоящий из фазы YAG:Ce и примесной фазы, обогащенной катионами кремния и магния. При этом примесная фаза концентрируется на границах зерен керамики и выполняет роль рассеивающей среды.
Недостатком данного изобретения является то, что для изготовления керамического материала предлагается использовать керамические порошки на основе механических смесей оксидов иттрия, алюминия, церия, магния и кремния. При недостаточных длительностях режимов гомогенизации таких смесей возрастает неоднородность распределения всех компонентов механической смеси по ее объему. Согласно формуле изобретения для достижения заявленных характеристик требуется длительная стадия гомогенизации и дезагрегации оксидов иттрия, алюминия, церия, магния и кремния, что в совокупности с предложением использовать в качестве размольных тел шаров из ZrO2, будет способствовать неконтролируемому загрязнению керамического порошка частицами оксида циркония. Кроме того, низкая концентрация катионов церия негативно сказывается на цветовой температуре источника белого света.
Раскрытие изобретения
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в получении люминесцентной керамики, содержащей фазу YAG:Ce для преобразователя излучения в источниках белого света, характеризующейся высокой теплопроводностью не менее 8,5 Вт/м/K, и однородным распределением катионов церия по зернам люминесцирующей фазы.
Особенностью изобретения является получение люминесцентной керамики на основе оксидной композиции, состав которой описывается общей формулой:
Y(3-x-y)Ce(x)Al(5+y)O(12), где 0,01<x<0,3; 0,02<y<0,2
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к повышению теплопроводности оптически прозрачной люминесцентной керамики и изготовлению экономических более выгодных и эффективных сверх ярких источников белого света с лазерным возбуждением. Изготовленный материал характеризуется высокой теплопроводностью более 8,5 Вт/м⋅К, высокой интенсивностью люминесценции с максимумом излучения в области 550 - 570 нм при возбуждении лазерным излучением с длиной волны 450 нм.
Технический результат достигается благодаря использованию в качестве исходных веществ следующих солей: иттрий хлористый шестиводный, алюминий хлористый шестиводный, церий азотнокислый шестиводный. Благодаря хорошей растворимости в воде рекомендованных солей получают однородный маточный раствор, содержащий все основные металлы в требуемом соотношении. В этот раствор добавляют мочевину и аммоний сернокислый. Далее маточный раствор нагревают до 92°С при непрерывном перемешивании и выдерживают в данных условиях в течение 4 ч. После четырехчасовой выдержки в маточный раствор покапельно вводят аммиак 25 % до достижения значения pH маточного раствора не менее 9 и не более 10. Образовавшийся осадок центрифугированием отделяют от растворимых продуктов реакции и промывают 0,045 М раствора сульфата аммония. Затем осадок сушат при температуре 60 - 80°С. Рекомендованная остаточная влажность получаемого порошка не менее 2 масс. % и не более 4 масс. %. Высушенный порошок протирают через сито с размерами ячеек 100 мкм. Предложенный метод обеспечивает однородное распределение церия, алюминия и иттрия в частицах порошка. Дополнительной гомогенизации не требуется. Данный порошок прокаливают на воздухе при температуре не менее 450°С и не более 900°С для получения порошка аморфных оксидов церия, иттрия, алюминия и их соединений. Затем, порошок аморфных оксидов церия, иттрия, алюминия и их соединений, прокаливают в восстановительной среде, предпочтительно в среде газовой смеси азота (93 об. %) и водорода (7 об. %) при температуре порядка 1150±50°С. На этой стадии формируется нанокристаллический слабоагломерированный порошок, в котором доминирующая фаза представляет собой иттрий-алюминиевый гранат, легированный катионами церия. Далее, диспергируют в изопрапаноле и в полученную суспензию добавляют тетраэтоксисилан при перемешивании в течение 10 минут. Затем суспензию сушат при температуре 60-80°С. Нанокристаллический слабоагломерированный порошок просеивают через сито с размерами ячеек 100 мкм. В процессе сушки суспензию периодически перемешивают. Сушку ведут до остаточной влажности не менее 2 масс % и не более 4 масс %. После сушки порошок готов к прессованию в компакты в виде дисков требуемого диаметра и толщины. Для изготовления дисков рекомендовано использовать одноосный пресс, обеспечивающий давление 50±15 МПа. Дополнительные связующие добавки не требуются. Компакты керамического порошка спекают при атмосферном давлении в среде газовой смеси азота (93 об. %) и водорода (7 об. %) температурах не менее 1500°С и не более 1700°С. Поскольку процесс спекания протекает в восстановительной атмосфере, то отсутствуют условия для сегрегации церия. В процессе спекания формируется плотная люминесцентная керамика, матрица которой образована фазой YAG:Ce. Кроме этой фазы в керамике образуются фазы Al2O3, AlCeO3 и СeAl11O18, которые присутствуют в виде включений между зернами YAG:Ce, что способствует повышению рассеяние света и благоприятно сказывается на эффективности преобразования возбуждающего лазерного излучения.
Для использования в устройствах, излучающих свет, диск керамического материала шлифуют и полируют, при необходимости утоняют, придают требуемую форму и напыляют отражающие покрытия.
Осуществление изобретения
Пример 1
Изготовление люминесцентной керамики, характеризующейся теплопроводностью не менее 9,5 Вт/м⋅К и обладающей максимумом люминесценции в области 555 нм, при возбуждении лазерным излучением с длинной волны порядка 450 нм, решается путем создания оксидной композиции состава Y2.75Ce0.05Al5.20O12, с применением гомогенного осаждения мочевиной.
Для получения 40 г керамического порошка готовят раствор катионов солей расчётного состава, соответствующего оксидной композиции Y2.75Ce0.05Al5.20O12. Для этого берут навески алюминия хлористого шестиводного массой 90,00 г, иттрия хлористого шестиводного массой 59,29 г и церия азотнокислого шестиводного массой 1,519 г и растворяют в 7 л деионизованной воды. В этом же объеме растворяют 200 г мочевины и 4,4 г аммония сернокислого в качестве дисперсанта. Далее маточный раствор нагревают до 92°С при непрерывном перемешивании и выдерживают в данных условиях в течение 4 ч. После четырехчасовой выдержки в маточный раствор покапельно вводят аммиак 25 % до достижения значения pH маточного раствора 9 - 10. Образовавшийся осадок промывают центрифугированием 8 л деионизированной воды и 0,5 л изопропилового спирта и высушивают в вакуумном сушильном шкафу при температуре 60°С. Затем просеивают через сито с размером ячеек 100 мкм и прокаливают при температуре 750°С на воздухе с выдержкой 6 часов. После отжига на воздухе прокаливают 2 часа в среде газовой смеси Ar (93об%) и H2(7 об%) при температуре 1100°С. В результате прокаливания получается нанокристаллический слабоагломерированный порошок. Этот порошок диспергируют в 250 мл изопрапанола и при перемешивании вводят 0,2 г тетраэтоксисилана. Затем порошок сушат в вакуумном шкафу при температуре 60 - 80°С. Затем просеивают через сито с размером ячеек 100 мкм. Из керамического порошка посредством одноосного прессования формуют компакты, в виде дисков толщиной 1 мм и диаметром 13 мм. После чего компакты помещают в трубчатую печь, через которую пропускают газовую смесь Ar (93об%) и H2(7 об%), и спекают при 1600°С. В результате спекания получается люминесцентная керамика, состоящая из фазы YAG:Ce и фазы Al2O3, которая после шлифовки и полировки готова к использованию в качестве преобразователя излучения в устройствах излучающих белый свет.
Пример 2
Изготовление керамического преобразователя излучения для источников белого света, характеризующегося теплопроводностью не менее 9,0 Вт/м⋅К, обладающего максимумом люминесценции в области 565 нм, при возбуждении лазерным излучением с длинной волны порядка 450 нм, решается путем создания керамики на основе оксидной композиции состава Y2.7Ce0.2Al5.1O12, с применением гомогенного осаждения мочевиной.
Для получения 100 г керамического порошка готовят раствор катионов солей расчётного состава для оксидной композиции Y2.7Ce0.2Al5.1O12. Для этого берут навески алюминия хлористого шестиводного массой 208,8 г, иттрия хлористого шестиводного массой 141,8 г и церия азотнокислого шестиводного массой 14,53 г и растворяют в 17,5 л деионизованной воды. В этом же объеме растворяют 500 г мочевины и 11 г аммония сернокислого в качестве дисперсанта. Далее маточный раствор нагревают до 92°С на масляной бане при непрерывном перемешивании и выдерживают в данных условиях в течение 4 ч. После выдержки в маточный раствор покапельно вводят аммиак 25 % до достижения значения pH маточного раствора 9 - 10. Образовавшийся осадок промывают центрифугированием 20 литрами деионизированной воды и высушивают в конвекционном сушильном шкафу при температуре 60°С. Затем просеивают через сито с размером ячеек 100 мкм и прокаливают при температуре 750°С на воздухе с выдержкой 8 часов. После предварительного отжига на воздухе прокаливают 2 часа в среде газовой смеси Ar (93 об%) и H2 (7 об%) при температуре 1100°С. В результате прокаливания получается нанокристаллический слабоагломерированный порошок. Этот порошок диспергируют в 600 мл изопрапанола и при перемешивании в суспензию добавляют 0,5 г тетраэтоксисилана. Затем порошок сушат в конвекционном сушильном шкафу при температуре 60 - 80°С. Затем просеивают через сито с размером ячеек 100 мкм. Из керамического порошка посредством одноосного прессования формуют компакты, в виде дисков толщиной 1 мм и диаметром 30 мм. После этого компакты отжигают на воздухе при температуре 800°С и затем спекают в среде газовой смеси Ar (93 об%) и H2 (7 об%) при температуре 1700°С. В результате спекания получается люминесцентная керамика, состоящая из фазы YAG:Ce и фазы Al2O3, которая после шлифовки и полировки готова к использованию в качестве преобразователя излучения в устройствах, излучающих белый свет.
Пример 3
Изготовление керамического преобразователя излучения для источников белого света, характеризующегося теплопроводностью не менее 8,8 Вт/м⋅К, обладающего максимумом люминесценции в области 570 нм, при возбуждении лазерным излучением с длинной волны порядка 450 нм, решается путем создания керамики на основе оксидной композиции состава Y2.65Ce0.25Al5.1O12, с применением гомогенного осаждения мочевиной.
Для получения 100 г керамического порошка готовят раствор катионов солей расчётного состава для оксидной композиции Y2.65Ce0.25Al5.1O12. Для этого берут навески алюминия хлористого шестиводного массой 207,9 г, иттрия хлористого шестиводного массой 138,6 г и церия азотнокислого шестиводного массой 18,08 г и растворяют в 17,5 л деионизованной воды. В этом же объеме растворяют 500 г мочевины. Далее маточный раствор нагревают до 95°С на масляной бане при непрерывном перемешивании и выдерживают в данных условиях в течение 4 ч. После выдержки в маточный раствор покапельно вводят аммиак 25 % до достижения значения pH маточного раствора 9 - 10. Образовавшийся осадок промывают центрифугированием 20 литрами 0,045 М раствора сульфата аммония и высушивают в конвекционном сушильном шкафу при температуре 60°С. Затем просеивают через сито с размером ячеек 100 мкм и прокаливают при температуре 700°С на воздухе с выдержкой 12 часов. После предварительного отжига на воздухе прокаливают 2 часа в среде газовой смеси Ar (93 об%) и H2 (7 об%) при температуре 1100°С. В результате прокаливания получается нанокристаллический слабоагломерированный порошок. Этот порошок диспергируют в 600 мл изопрапанола и при перемешивании в суспензию добавляют 2 г тетраэтоксисилана. Затем порошок сушат в конвекционном сушильном шкафу при температуре 70±10°С. Затем просеивают через сито с размером ячеек 100 мкм. Из керамического порошка посредством одноосного прессования формуют компакты, в виде дисков толщиной 1 мм и диаметром 20 мм. После этого компакты отжигают на воздухе при температуре 800°С и затем спекают в среде газовой смеси Ar (93 об%) и H2 (7 об%) при температуре 1600°С. В результате спекания получается люминесцентная керамика, состоящая из фазы YAG:Ce и фазы Al2O3, которая после шлифовки и полировки готова к использованию в качестве преобразователя излучения в устройствах излучающих белый свет.
Таким образом, заявленный способ получения люминесцентной керамики является достаточно простым в аппаратурном исполнении, в результате его реализации не происходит ошибок в предварительных определениях содержания катионов и итоговых расчетах.
Claims (1)
- Способ получения люминесцентной керамики, содержащей фазу YAG:Ce, для источников белого света, включающий использование в качестве исходных веществ алюминия хлористого шестиводного, иттрия хлористого шестиводного и церия азотнокислого шестиводного, при этом изготовление люминесцентной керамики на основе оксидной композиции, описываемой общей формулой Y(3-x-y)Ce(x)Al(5+y)O12, где 0,01<x<0,3, 0,02<у<0,2, включает приготовление маточного раствора солей с расчетной концентрацией церия, алюминия и иттрия, гомогенное осаждение порошка, центрифугирование, сушку при 60-80°С и просев через сито с размером ячеек 100 мкм, потом температурная обработка порошка на воздухе при 750±50°С, а затем в среде газовой смеси аргона (93 об.%) и водорода (7 об.%) в течение 2 ч при температуре 1100±50°С, потом диспергирование в изопропаноле и при перемешивании добавление тетраэтоксисилана, после чего сушка при 60-80°С и просев через сито с размером ячеек 100 мкм, затем изготовление из порошка при помощи одноосного прессования компактов, после чего их спекание в среде газовой смеси аргона (93 об.%) и водорода (7 об.%) при температуре в диапазоне от 1500 до 1700°С.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2808387C1 true RU2808387C1 (ru) | 2023-11-28 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010141291A1 (en) * | 2009-06-01 | 2010-12-09 | Nitto Denko Corporation | Luminescent ceramic and light-emitting device using the same |
| RU2013124376A (ru) * | 2010-10-28 | 2014-12-10 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Осветительное устройство с волноводной пластинкой |
| CN107686345A (zh) * | 2016-08-03 | 2018-02-13 | 深圳市光峰光电技术有限公司 | 一种Ce掺杂YAG发光陶瓷的制备方法 |
| RU2660866C1 (ru) * | 2017-11-09 | 2018-07-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФГБУН ФИАН) | Способ получения люминесцентной керамики, люминесцентная керамика и детектор ионизирующего излучения |
| RU2711318C2 (ru) * | 2017-12-28 | 2020-01-16 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Институт химических реактивов и особо чистых химических веществ Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" | Способ получения люминесцентной керамики на основе сложных оксидов со структурой граната |
| CN111072374A (zh) * | 2018-10-18 | 2020-04-28 | 深圳光峰科技股份有限公司 | 荧光陶瓷及其制备方法 |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010141291A1 (en) * | 2009-06-01 | 2010-12-09 | Nitto Denko Corporation | Luminescent ceramic and light-emitting device using the same |
| RU2013124376A (ru) * | 2010-10-28 | 2014-12-10 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Осветительное устройство с волноводной пластинкой |
| CN107686345A (zh) * | 2016-08-03 | 2018-02-13 | 深圳市光峰光电技术有限公司 | 一种Ce掺杂YAG发光陶瓷的制备方法 |
| RU2660866C1 (ru) * | 2017-11-09 | 2018-07-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФГБУН ФИАН) | Способ получения люминесцентной керамики, люминесцентная керамика и детектор ионизирующего излучения |
| RU2711318C2 (ru) * | 2017-12-28 | 2020-01-16 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Институт химических реактивов и особо чистых химических веществ Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" | Способ получения люминесцентной керамики на основе сложных оксидов со структурой граната |
| CN111072374A (zh) * | 2018-10-18 | 2020-04-28 | 深圳光峰科技股份有限公司 | 荧光陶瓷及其制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| He et al. | Red-shifted emission in Y3MgSiAl3O12: Ce3+ garnet phosphor for blue light-pumped white light-emitting diodes | |
| JP7056553B2 (ja) | 蛍光体、発光装置、照明装置及び画像表示装置 | |
| Liu et al. | Hard transparent AlON ceramic for visible/IR windows | |
| JP6897387B2 (ja) | 焼結蛍光体、発光装置、照明装置、画像表示装置および車両用表示灯 | |
| JP5835469B2 (ja) | 酸窒化物蛍光体粉末 | |
| CN109896852B (zh) | 用于蓝光激发的白光照明的复相荧光陶瓷、制备方法及光源装置 | |
| JP5539211B2 (ja) | 多相ＳｉＡｌＯＮに基づくセラミック材料を有する発光装置 | |
| JP5854051B2 (ja) | 酸窒化物蛍光体粉末及びその製造方法 | |
| EP2109651A1 (en) | Illumination system comprising composite monolithic ceramic luminescence converter | |
| TWI613841B (zh) | 波長轉換構件及使用其之發光裝置 | |
| CN108863317A (zh) | 一种荧光复合陶瓷及其制备方法和应用 | |
| TW201538455A (zh) | 氮氧化物螢光體粉末及其製造方法 | |
| Yuan et al. | Rapid, convenient and low-energy preparation of spherical rare earth doped YAG phosphors by a laser sintering method | |
| TWI598320B (zh) | Oxynitride phosphor powder and method of manufacturing the same | |
| TWI602904B (zh) | Oxynitride phosphor powder and method of manufacturing the same | |
| Song et al. | Effects of tetraethyl orthosilicate content and sintering temperature on the properties of Y3Al5O12: Ce3+ phosphor ceramics for automotive headlamps | |
| RU2808387C1 (ru) | Способ получения люминесцентной керамики, содержащей фазу YAG:Ce, для источников белого света | |
| CN112552038B (zh) | 一种绿色荧光复合陶瓷及其制备方法和应用 | |
| CN109205654A (zh) | 一种Ce、Sm共掺杂Lu3Al5O12纳米荧光粉的微波制备方法 | |
| CN112239352A (zh) | 一种复相荧光陶瓷材料及其制备方法 | |
| Ding et al. | Full spectrum core–shell phosphors under ultraviolet excitation | |
| CN111072384A (zh) | 一种紫外激发荧光陶瓷及其制备方法 | |
| Ma et al. | A cyan-green-emitting garnet-structured Lu3-xScxAl2-yScyAl3-zSczO12: Ce3+ phosphor ceramics towards high-color-quality laser-driven lighting | |
| Kravtsov et al. | Synthesis and study of the optical and spectral-luminescent properties of LuAG: Ce ceramic | |
| RU2818556C1 (ru) | Способ получения люминесцирующей оксидной композиции для преобразователя излучения в источниках белого света |