一种用于光波长转换的多晶块体材料的制备方法与流程

本发明属于多晶块体材料制备领域，尤其涉及一种用于光波长转换的多晶块体材料的制备方法。

背景技术：

所谓多晶块体材料，如陶瓷、玻璃，其内部的高折射率导致一个严重的问题：光由空气中进入该材料内部时，由于折射率的变化导致全反射现象的发生，光从材料内部出射到空气的效率(逸出率)很低，经全反射后更多的光从侧面逸出，导致光波导现象。上述这个现象在白光半导体照明领域可以进行解释，例如：用蓝光半导体光源激发不同发射波段荧光材料，转化为绿光、黄光、红光等，蓝光和这些光按照一定比例混合得到白光光源。正如上述提及，如果荧光材料不是粉体材料，而是块体材料，激发光在块体的荧光材料中受到全反射现象的影响，正面的垂直出光效率低，激发光从侧面溢出现象严重，导致了白光光色空间分布极其不均匀，严重影响白光光源的性能和二次光学配光。

为了提高激发光提取效率，在块体荧光材料领域，目前研究主要集中于光转换材料的表面处理。

一种方法是改变块体材料出射面的几何形貌：由原来的平面改为凸形曲面(球面或椭球面等)。该方法虽然没有改变材料的全反射性能，但通过这个方法可以减小光的出射角，降低了光全反射概率。如公开号为cn201766096u、cn202423281u的中国专利公布了一种光转换块体材料。

这种方案的缺点在于：

1：该方法改善效果有限；

2：由平面制造成曲面，其工艺复杂、周期长，且材料损耗率高，制作成本大幅提升，不利于规模产业化生产应用。

皇家飞利浦电子股份有限公司申请的专利cn101904020a中公布了一种光转换材料表面的光子晶体结构，借助在表面构建周期性结构形成衍射光提高光逸出效率。这种通过改变块体材料表面的微观结构的方法可以更好的改善光逸出效率。

这种方案的缺点在于：

构建光子晶体进行微观结构的调控，其最大的缺点在于对设备的需求很高、工艺复杂，制作成本大幅提升，不利于产业化生产应用。

技术实现要素：

本发明提供一种用于光波长转换的多晶块体材料的制备方法，其目的是解决现有技术的缺点，提高光提取效率，使工艺相对简单，有效控制成本，有利于规模化产业生产。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于光波长转换的多晶块体材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)以氧化铝、氧化钇、氧化铈为原料按石榴石结构的化学配比称量，按照原料：酒精：球的质量比为1:1.5:5比例，球磨混和均匀，干燥得到初始原料粉体；

2)所述初始原料粉体用筛网过筛获得粗、细不同粒径的粉体，筛分后按照细粒径粉体与粗粒径粉体按一定比例组合获得成型用粉体；

3)所述成型用粉体先经干压、再经冷等静压工艺压制成块体，施加压力为200-300mpa，在600～800℃氧气气氛中脱脂得到块体素坯；

4)所述块体素坯在真空气氛中，添加烧结助剂，低温烧结最终获得亚微米晶粒的多晶块体材料。

进一步的：步骤2)中粉体过筛筛分用的筛网规格为50-150微米。

进一步的：步骤2)中成型用粉体中细粒径粉体与粗粒径粉体组合比例为质量比(70％～100％)：(0～30％)。

进一步的：步骤4)中添加的烧结助剂为氧化镁、氧化钙和四乙氧基硅烷中的一种或多种。

进一步的：步骤4)中块体素坯在真空气氛中，使用放电等离子烧结、闪烁烧结、震荡热压烧结或热等静压烧结中的方法一种或几种组合方式进行陶瓷致密化；烧结温度为1450-1750℃，保温时间为0.2-10h。

进一步的：步骤4)得到的亚微米晶粒的多晶块体材料的致密度为90-99％，晶粒尺寸为0.05-1μm。

本发明的有益之处在于：

1、解决了荧光多晶块体材料转换的激发光出现的侧边光溢出现象，出光光色均匀；

2、提升了光源垂直方向光强，光源为朗伯体光源，所述朗伯体光源表述为自身辐射且各个方向辐亮度不变的辐射源；

3、通过对多晶陶瓷晶粒尺度的控制，实现了多晶陶瓷自身激发光的散射效应，相对于陶瓷表面的改性，其均一性、工艺简化程度及经济效应都有很大的提升。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明得到的多晶块体材料的sem图；

图2为使用了光波长转换的多晶块体材料封装的白光发光二极管器件的色温空间角度分布；

图3为使用了光波长转换的多晶块体材料封装的白光发光二极管器件的色温空间角度分布。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。

实施例1：

本发明是一种用于光波长转换的多晶块体材料的制备方法，包括如下步骤：

1)以氧化铝、氧化钇、氧化铈为原料按石榴石结构的化学配比称量，按照原料：酒精：球的质量比为1:1.5:5比例，球磨混和均匀，干燥得到初始原料粉体；

2)所述初始原料粉体用50微米筛网过筛获得粗、细不同粒径的粉体，被筛出的为细粒径粉体，留在筛内的为粗粒径粉体，筛分后按照细粒径粉体与粗粒径粉体按质量比70％：30％组合获得成型用粉体；

3)所述成型用粉体先经干压、再经冷等静压工艺压制成块体，施加压力为200mpa，在600℃氧气气氛中脱脂得到块体素坯；

4)所述块体素坯在真空气氛中，添加氧化镁为烧结助剂，放电等离子烧结，进行陶瓷致密化，烧结温度为1450℃，保温时间为0.2h，最终获得亚微米晶粒的多晶块体材料，得到的亚微米晶粒的多晶块体材料的致密度为90-99％，晶粒尺寸为0.05-1μm。

实施例2：

本发明是一种用于光波长转换的多晶块体材料的制备方法，包括如下步骤：

1)以氧化铝、氧化钇、氧化铈为原料按石榴石结构的化学配比称量，按照原料：酒精：球的质量比为1:1.5:5比例，球磨混和均匀，干燥得到初始原料粉体；

2)所述初始原料粉体用80微米筛网过筛获得粗、细不同粒径的粉体，被筛出的为细粒径粉体，留在筛内的为粗粒径粉体，筛分后按照细粒径粉体与粗粒径粉体按质量比80％：20％组合获得成型用粉体；

3)所述成型用粉体先经干压、再经冷等静压工艺压制成块体，施加压力为250mpa，在700℃氧气气氛中脱脂得到块体素坯；

4)所述块体素坯在真空气氛中，添加氧化钙为烧结助剂，闪烁烧结，进行陶瓷致密化，烧结温度为1550℃，保温时间为1h，最终获得亚微米晶粒的多晶块体材料，得到的亚微米晶粒的多晶块体材料的致密度为90-99％，晶粒尺寸为0.05-1μm。

实施例3：

本发明是一种用于光波长转换的多晶块体材料的制备方法，包括如下步骤：

1)以氧化铝、氧化钇、氧化铈为原料按石榴石结构的化学配比称量，按照原料：酒精：球的质量比为1:1.5:5比例，球磨混和均匀，干燥得到初始原料粉体；

2)所述初始原料粉体用100微米筛网过筛获得粗、细不同粒径的粉体，被筛出的为细粒径粉体，留在筛内的为粗粒径粉体，筛分后按照细粒径粉体与粗粒径粉体按质量比90％：10％组合获得成型用粉体；

3)所述成型用粉体先经干压、再经冷等静压工艺压制成块体，施加压力为250mpa，在700℃氧气气氛中脱脂得到块体素坯；

4)所述块体素坯在真空气氛中，添加四乙氧基硅烷为烧结助剂，震荡热压烧结，进行陶瓷致密化，烧结温度为1600℃，保温时间为2h，最终获得亚微米晶粒的多晶块体材料，得到的亚微米晶粒的多晶块体材料的致密度为90-99％，晶粒尺寸为0.05-1μm。

实施例4：

本发明是一种用于光波长转换的多晶块体材料的制备方法，包括如下步骤：

1)以氧化铝、氧化钇、氧化铈为原料按石榴石结构的化学配比称量，按照原料：酒精：球的质量比为1:1.5:5比例，球磨混和均匀，干燥得到初始原料粉体；

2)所述初始原料粉体用100微米筛网过筛获得粗、细不同粒径的粉体，被筛出的为细粒径粉体，留在筛内的为粗粒径粉体，筛分后按照细粒径粉体与粗粒径粉体按质量比100％：0％组合获得成型用粉体；

3)所述成型用粉体先经干压、再经冷等静压工艺压制成块体，施加压力为300mpa，在800℃氧气气氛中脱脂得到块体素坯；

4)所述块体素坯在真空气氛中，添加氧化镁和氧化钙为烧结助剂，热等静压烧结，进行陶瓷致密化，烧结温度为1700℃，保温时间为4h，最终获得亚微米晶粒的多晶块体材料，得到的亚微米晶粒的多晶块体材料的致密度为90-99％，晶粒尺寸为0.05-1μm。

实施例5：

本发明是一种用于光波长转换的多晶块体材料的制备方法，包括如下步骤：

1)以氧化铝、氧化钇、氧化铈为原料按石榴石结构的化学配比称量，按照原料：酒精：球的质量比为1:1.5:5比例，球磨混和均匀，干燥得到初始原料粉体；

2)所述初始原料粉体用100微米筛网过筛获得粗、细不同粒径的粉体，被筛出的为细粒径粉体，留在筛内的为粗粒径粉体，筛分后按照细粒径粉体与粗粒径粉体按质量比70％：30％组合获得成型用粉体；

3)所述成型用粉体先经干压、再经冷等静压工艺压制成块体，施加压力为250mpa，在700℃氧气气氛中脱脂得到块体素坯；

4)所述块体素坯在真空气氛中，添加氧化钙和四乙氧基硅烷为烧结助剂，放电等离子烧结，进行陶瓷致密化，烧结温度为1750℃，保温时间为10h，最终获得亚微米晶粒的多晶块体材料，得到的亚微米晶粒的多晶块体材料的致密度为90-99％，晶粒尺寸为0.05-1μm。

如图1所示：

多晶块体材料的sem图，该图显示的蜂巢状结构即为不同取向的单晶晶粒组合而成的多晶结构。其晶粒尺寸为本发明所提及的合适尺寸，也即晶粒尺寸为0.05-1μm，具有自散射特性。

如图2所示：

曲线1、曲线2为使用了光波长转换的多晶块体材料封装的白光发光二极管器件的色温空间角度分布。曲线1使用的光波长转换的多晶块体材料的晶粒尺寸为1μm以上，曲线2为本专利揭示的技术方案，晶粒的尺寸为0.05-1μm。如图2显然，本专利解决了荧光块体多晶转换材料出现的激发光侧边溢出现象，出光光色空间分布更均匀。

如图3所示：

曲线3、曲线4为使用了光波长转换的多晶块体材料封装的白光发光二极管器件的色温空间角度分布。曲线3使用的光波长转换的多晶块体材料的晶粒尺寸为1μm以上，曲线4为本专利揭示的技术方案，晶粒的尺寸为0.05-1μm。如图3显然，本专利提升了光源垂直方向光强，光源为朗伯体光源，所述朗伯体光源表述为自身辐射且各个方向辐亮度不变的辐射源.

本发明的思想是从块体材料出发，对材料自身进行改性，从材料内部消除全反射现象。

多晶材料表示材料内部是由一个个方向各异的单晶微小晶粒随机排列组成，当晶粒的尺寸与光波长尺寸相当时，满足米氏散射条件，光在晶界处产生强烈的散射特性。

本发明通过调控多晶块体转换材料的微观晶粒尺寸来产生自散射性能，光在本发明提及的转换材料中经散射并出射至空气中，光空间分布均匀，出射效率高。本发明不再针对转换材料表面进行复杂加工处理，而是通过改变材料内部微结构性在材料内部产生自散射特性，从根源上最大化提高光提取效率，工艺相对简单，成本得到有效控制，有利于规模化产业生产。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。