用于高功率激光照明的复合陶瓷荧光体、制备方法及光源装置与流程

本发明涉及激光领域，特别地是用于高功率激光照明的复合陶瓷荧光体、制备方法及光源装置。

背景技术：

目前，商业化的白光照明主流方案为采用蓝光芯片激发不同颜色的荧光体来实现白光输出的白光led照明。但是，随着驱动功率密度的增加，蓝光led存在与散热无关的“效率骤降”现象，即在高功率密度下，出光效率快速衰减。近年来，各国科学家围绕led“效率骤降”这一问题提出了一些改进措施，虽然在一定程度上提升了效率，但迄今为止并未从根本上克服功率与效率之间的矛盾。为了保证具有较高的转换效率，蓝光led只能工作在较低的驱动功率密度下。这样导致单个蓝光led器件只能产生少量光通量，严重影响大功率led照明的推广普及。

与此同时，激光二极管（ld）具有诸多优点:（1）无“效率骤降”现象，在高电流密度下工作仍有高的转换效率，因此可以通过提高单芯片的出光强度来降低光源成本；（2）单色性好，可根据ld输出波长匹配合适的荧光体以实现高转换效率，目前产品化的半导体激光器的电光转换效率可达到45%～55%；（3）体积更小、亮度更高，使终端照明体的设计拥有更大的设计自由度，同等亮度下的体积约为led的1/3等。因此，科学家认为基于蓝光ld激发的白光光源是比较具有可塑性的新一代固态照明光源。

作为接受蓝色光而发出黄色光的荧光体，ce:yag由于具有发光效率高、化学稳定性好、无毒无辐射、自身寿命长、稳定性好、猝灭温度高和耐热耐辐射等优势，其黄色荧光粉已经成功商业化应用于led和ld照明。但是黄色荧光粉封装中的有机树脂非常容易发生热老化，严重影响灯具的发光效率和发光的颜色，降低灯具寿命。而具有高均匀性、高光学透过率、高热导率和耐热老化特点的透明陶瓷更适合作为新一代黄色荧光体。

由于yag:ce黄色荧光材料缺乏红光，导致显色指数较低，石云等提出利用连接剂粘接(cexy1-x)3al5o12透明陶瓷荧光层与(ceygdzy1-y-z)3al5o12透明陶瓷荧光层，形成双层陶瓷复合体，在引入gd³⁺增加红光成分改善白光显色指数的同时，避免gd³⁺的掺入降低发光效率。但是，位于中间层的连接剂热导率非常低，且稀土掺杂也会引起yag基质的热导率显著降低，导致在高功率激光辐照密度下，复相荧光体无法高效散热，容易引起荧光体随温度升高转换效率降低，透射蓝光激光和发射黄光复合的出射白光色坐标漂移，严重时引发辐照损伤和缺陷裂纹产生，甚至形成开裂而影响激光照明灯具的使用寿命。

激光白光技术目前仍处于起步阶段，远没有白光led照明技术成熟。激光照明由于具有能效高、体积小等优点而存在巨大应用潜力，现已成功商业化应用于车灯激光照明，但关键技术并未成熟，在高光效显色荧光体、光转换装置、白光出光效率方面还需要开展系统的理论、数值模拟和实验研究工作，以满足激光照明实现规模化应用推广。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供用于高功率激光照明的复合陶瓷荧光体。

为了实现这一目的，本发明的技术方案如下：用于高功率激光照明的复合陶瓷荧光体，包含有，

复合荧光体第一层，其为(cexy1-x)3al5o12颗粒与al2o3颗粒均匀交错构造的复相荧光体，其中，x的取值范围为：0.005≤x≤0.05，(cexy1-x)3al5o12颗粒的质量占比为30%~100%，al2o3颗粒的质量占比为0~70%；以及，

复合荧光体第二层，其为(ceygdzy1-y-z)3al5o12颗粒与al2o3颗粒均匀交错构造的复相荧光体，其中，y的取值范围为：0.005≤y≤0.05，z的取值范围为：0.25≤z≤0.75，(ceygdzy1-y-z)3al5o12颗粒的质量占比为30%~100%，al2o3颗粒的质量占比为0~70%。

作为用于高功率激光照明的复合陶瓷荧光体的优选方案，所述复合陶瓷荧光体为平板结构，其具有光出射方向的厚度范围为0.3≤d≤0.8mm，其中，所述复合荧光体第一层具有光出射方向的厚度范围为0.2≤d1≤0.6mm，所述复合荧光体第二层具有光出射方向的厚度范围为0.1≤d2≤0.5mm，且d1+d2=d。

作为用于高功率激光照明的复合陶瓷荧光体的优选方案，所述复合荧光体第一层与所述复合荧光体第二层以晶界形式连接。

本发明还提供用于高功率激光照明的复合陶瓷荧光体的制备方法，用于制备前述复合陶瓷荧光体，包含有以下步骤，

步骤s1，制备复合荧光体第一层浆料：根据(cexy1-x)3al5o12透明陶瓷的化学计量比采用水热法制备yag基质原料粉体，其中，x的取值范围为：0.005≤x≤0.05，将yag基质原料粉体及al2o3原料粉体在行星式球磨机中球磨，其中，yag基质原料粉体的质量占比为30%~100%，al2o3原料粉体的质量占比为0~70%，制得混合均匀的复合荧光体第一层浆料；

步骤s2，制备复合荧光体第二层浆料：根据(ceygdzy1-y-z)3al5o12透明陶瓷的化学计量比采用水热法制备yag基质原料粉体，其中，y的取值范围为：0.005≤y≤0.05，z的取值范围为：0.25≤z≤0.75，将yag基质原料粉体及al2o3原料粉体在行星式球磨机中球磨，其中，yag基质原料粉体的质量占比为30%~100%，al2o3原料粉体的质量占比为0~70%，制得混合均匀的复合荧光体第二层浆料；

步骤s3，分别将所述复合荧光体第一层浆料及所述复合荧光体第二层浆料真空除泡后，依次注入流延机中进行流延成型，获得双层复合流延片；

步骤s4，将所述双层复合流延片经干压成型、冷等静压，制得素坯；以及，

步骤s5，将所述素坯经真空烧结，制得所述复合陶瓷荧光体。

作为用于高功率激光照明的复合陶瓷荧光体的制备方法的优选方案，步骤s5中，真空烧结前，将所述素坯在600~1000℃的条件下煅烧4~10小时进行脱脂。

本发明还提供光源装置，包含有，

蓝光激光激发光源；以及，

前述复合陶瓷荧光体，所述复合陶瓷荧光体的顶面镀蓝光增透膜，所述复合陶瓷荧光体的底面镀银，所述陶瓷复合体的底面焊接在铜质散热基座；

所述蓝光激光激发光源经准直、聚焦后照射到所述复合陶瓷荧光体的顶面，发射光与蓝光激光混合产生白光。

作为光源装置的优选方案，白光出光的色温在3000k~6000k范围内可调，通过改变所述复合陶瓷荧光体的铈、钆掺杂量以和/或改变所述复合荧光体第一层及所述复合荧光体第二层的厚度来调节色温。

作为光源装置的优选方案，所述蓝光激光激发光源的激发波长范围为420～520nm，在所述蓝光激光激发光源的激发下形成的发射光波长范围为450~750nm。

与现有技术相比，本发明的有益效果至少在于：具有显著提高的热导率和显色指数、稳定的色温、优异的发光效率，经表面增透膜和底部散热基座组成的发光装置可以满足≥64w高功率激光照明应用领域，具有非常高的稳定性和使用寿命。

除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的有益效果之外，本发明所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的有益效果，将结合附图作出进一步详细的说明。

附图说明

图1为本发明的复合陶瓷荧光体表面的扫描电镜照片，yag基质颗粒与al2o3颗粒均匀交错构造。

图2为本发明的以复合陶瓷荧光体为主体的发光装置结构示意图，单片可满足蓝光激光辐照功率64w以上。

图3为本发明各例的比较示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

以y2o3、gd2o3、ceo2和al(no3)3•9h2o为原料配成硝酸盐溶液，分别按照(ce0.008y0.992)3al5o12、(ce0.008gd0.50y0.492)3al5o12透明陶瓷的化学配比混合相应硝酸盐溶液，采用水热法经150℃保温10h分别合成粒径在50-200nm范围的荧光粉体。将ce:yag粉体、ce,gd:yag粉体分别与商用纳米al2o3粉体（粒径50nm）按质量占比50%:50%、50%:50%进行配比，然后添加一定量的烧结助剂、连接剂、增塑剂、分散剂作为添加剂，在行星式球磨机中球磨制备混合均匀的浆料。再将浆料真空除泡后，依次注入流延机中进行流延成型，获得双层复合流延片；将所述双层复合流延片经干压成型、冷等静压制得素坯；将所述素坯经真空烧结制得复合陶瓷荧光体，其中ce:yag、ce,gd:yag复相透明陶瓷层的厚度分别约为0.3mm和0.2mm。

将复合陶瓷荧光体的ce:yag层表面镀一层蓝光增透膜，ce,gd:yag层底面镀银层，并焊接在铜质散热基座中，参见图2。利用两个bank共16颗ld（额定功率为4w，共64w）作为蓝光激发光源，经准直、聚焦等光路，激发复合荧光体发射黄光，未激发的蓝光与发射的黄光混合获得最高辐照功率密度可达17w/mm²、色温为4926k、光电效率为121lm/w的高品质白光。

实施例2

调整ce:yag粉体、ce,gd:yag粉体分别与商用纳米al2o3粉体（粒径约50nm）按质量占比60%:40%、40%:60%混配，其他条件同实施例1，同样可以在蓝光激光ld激发和复合下，该发光装置可获得最高辐照功率密度达15w/mm²、色温为4772k、光电效率为147lm/w的高品质白光。

比较例1

以y2o3、ceo2和al(no3)3•9h2o为原料配成硝酸盐溶液，按照(ce0.008y0.992)3al5o12的化学配比混合相应硝酸盐溶液，采用水热法经150℃保温10h分别合成粒径在50-200nm范围的荧光粉体。将ce:yag粉体中添加一定量的烧结助剂、连接剂、增塑剂、分散剂作为添加剂，在行星式球磨机中球磨制备混合均匀的浆料。再将浆料真空除泡后，依次注入流延机中进行流延成型，获得流延片；将所述流延片经干压成型、冷等静压制得素坯；将所述素坯经真空烧结制得厚度为0.5mm的ce:yag陶瓷荧光体。

采用与实施例1、2相同的表层镀膜工艺和发光装置，在64w蓝光激光激发下，蓝光与发射的黄光混合获得色温为6105k、光电效率为150lm/w的白光，且无法承受高辐照功率密度，其辐照淬灭点仅为8w/mm²。

将上述陶瓷复合体的底面镀银并焊接在铜质散热基座5中，可以通过反射式光路实现照明。利用单颗或多颗激光器1作为激发光源，经透镜2准直、聚束以及匀光装置3匀光后照射至该陶瓷复合体4表面。