一种激光照明用高效率宽显指的复合结构荧光陶瓷及其制备方法

本发明涉及荧光陶瓷材料，具体涉及一种激光照明用高效率宽显指的复合结构荧光陶瓷及其制备方法。

背景技术：

1、目前，白光发光二极管(wled)因其发光效率高(节能)、环保、寿命长等优点，在照明领域中扮演着不可或缺的光源角色。与led相比，用蓝色激光二极管(ld)激发荧光转换器实现的激光驱动白光，具有高方向性、高准直性和优越的亮度等优点。此外，蓝色ld的线发射和小尺寸更有助于产生超高亮度和高显指的白光。事实上，激光驱动的荧光转换器应该具有优异的量子效率(qe)、低热猝灭和高导热性，以适用于高功率密度激光激发。为此，广泛的研究都集中在制备无机磷光体，如陶瓷和荧光玻璃陶瓷(p5g)上，以克服传统硅胶封装的荧光粉(p5s)耐热性差的问题。其中，荧光陶瓷具有良好的导热性和高发光饱和度，被认为是一种更可接受的选择。

2、激光驱动的白光光源是由磷光体转换的光和剩余的蓝光在一个非常小的光斑区域里(通常低于0.5mm2)混合产生的。根据光学结构，白光是从荧光转换器的透射面或反射面收集而来，其中透射结构提供了白光颜色调谐的能力(2500-6300k的色温，90-95的显色指数)，但由于在反射表面不可避免的光损失，很难获得高的发光效率(102-136lm/w)。相比之下，反射配置提供了相对简单的解决方案，能够减少光损失并实现高发光效率(225-250lm/w)。然而，反射光的颜色可调性是困难的。因为在这种情况下，蓝光与磷光体转换的光的比例对发光离子的浓度或磷光体的厚度不敏感。因此，创造同时具有高光效和优异显色性的白光仍然是一个巨大的挑战。

3、cn115838286a和cn109592978a主体上都是在陶瓷材料中加入能使ce3+发射峰纯移动或者引入红光波段的发射峰的元素，以及共掺杂来改善透明荧光陶瓷的光谱和色度学参量。此方案光谱移动范围十分有限，且不同离子之间的能量转移导致ce3+发光效率明显下降，且诱发猝灭温度大幅下降。cn108527960a公开了一种荧光陶瓷与蓝宝石复合陶瓷材料，复合陶瓷材料包括荧光陶瓷层、蓝宝石层及连接层。该结构采用高热导的蓝宝石增强了荧光热传导，提高了陶瓷的激光饱和阈值，但是转换的黄绿光和蓝光难以实现优异显色性的白光。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种激光照明用高效率宽显指的复合结构荧光陶瓷及其制备方法，该方法工艺简单，所制备得到的复合结构荧光陶瓷可实现反射配置下的颜色调谐，具有更高的效率和显指。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种激光照明用高效率宽显指的复合结构荧光陶瓷，所述荧光陶瓷为从上往下依次为黄绿色荧光层、红色荧光层、aln衬底层的三层复合结构，所述黄绿色荧光层的化学式为(re1-xcex)3al5o12，式中，re为y或lu，x为y3+或lu3+取代ce3+位的摩尔百分数，0.0005≤x≤0.005；所述红色荧光层的化学式为(a1-ycey)3(al1-zbz)5o12，式中，a为y或lu，b为mn或cr，y为y3+或lu3+取代ce3+位的摩尔百分数，0.001≤y≤0.01，z为mn2+或cr3+取代al3+位的摩尔百分数，0.001≤z≤0.08。

3、优选的，所述黄绿色荧光层的厚度为0.03～0.2mm，所述红色荧光层的厚度为0.03～0.2mm，所述aln衬底层的厚度为3～10mm。

4、本发明还提供一种上述激光照明用高效率宽显指的复合结构荧光陶瓷的制备方法，具体步骤如下：

5、(1)以y2o3/lu2o3、ce2o3和al2o3作为原料粉体，按化学式(re1-xcex)3al5o12中对应元素的化学计量比称取各原料，其中x为y3+或lu3+取代ce3+位的摩尔百分数，0.0005≤x≤0.005；将上述各种原料混合后加入烧结助剂、分散剂、磨球、无水乙醇组成预混液，依次进行球磨、干燥、过筛、除杂后得到(re1-xcex)3al5o12荧光层粉体；

6、以y2o3/lu2o3、mnco2/cr2o3、ce2o3和al2o3作为原料粉体，按化学(a1-ycey)3(al1-zbz)5o12中对应元素的化学计量比称取各原料，其中y为y3+或lu3+取代ce3+位的摩尔百分数，z为mn2+或cr3+取代al3+位的摩尔百分数，0.001≤y≤0.01，0.001≤z≤0.08；将上述各种原料混合后加入烧结助剂、分散剂、磨球、无水乙醇组成预混液，依次进行球磨、干燥、过筛、除杂后得到(a1-ycey)3(al1-zbz)5o12荧光层粉体；

7、(2)将(re1-xcex)3al5o12荧光层粉体、(a1-ycey)3(al1-zbz)5o12荧光层粉体、aln粉体分别与分散剂、无水乙醇混合，分别球磨后加入粘结剂和增塑剂，继续球磨后分别得到(re1-xcex)3al5o12浆料、(a1-ycey)3(al1-zbz)5o12浆料、aln浆料；

8、(3)将(re1-xcex)3al5o12浆料、(a1-ycey)3(al1-zbz)5o12浆料、aln浆料分别进行除泡，除泡后分别倒入流延机的料槽中进行流延，得到(re1-xcex)3al5o12单层陶瓷素坯、(a1-ycey)3(al1-zbz)5o12单层陶瓷素坯和aln单层陶瓷素坯；

9、(4)将步骤(3)制备得到中的单层素坯按照(re1-xcex)3al5o12单层陶瓷素坯、(a1-ycey)3(al1-zbz)5o12单层陶瓷素坯和aln单层陶瓷素坯从上往下的顺序进行叠层得到复合结构流延片，再将复合结构流延片通过等静压成型得到复合结构陶瓷素坯；

10、(5)将复合结构陶瓷素坯置于马弗炉中排胶处理，再将排胶处理后的复合结构陶瓷素坯置于高温下烧结，最后进行双面抛光即得三层复合结构荧光陶瓷。

11、优选的，步骤(1)中，所述烧结助剂为mgo和teos，加入的量分别为原料粉体总质量的0.2～0.7wt.％和0.4～0.6wt.％；所述分散剂为pei，加入的量为原料粉体总质量的0.2～0.5wt.％。

12、优选的，步骤(2)中，所述分散剂为鲱鱼油、油酸、柠檬酸钠、聚丙烯酸、np-10中的任意一种或几种，所述分散剂的添加量为(re1-xcex)3al5o12荧光层粉体或(a1-ycey)3(al1-zbz)5o12荧光层粉体或aln粉体质量的3～10％。

13、优选的，步骤(2)中，所述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛酯，所述粘结剂的添加量为(re1-xcex)3al5o12荧光层粉体或(a1-ycey)3(al1-zbz)5o12荧光层粉体或aln粉体质量的3～8％。

14、优选的，步骤(2)中，所述增塑剂为苄基邻苯二甲酸酯、聚乙烯醇、过氧化特戊酸特丁酯、甘油中的任意一种或几种，所述增塑剂的添加量为(re1-xcex)3al5o12荧光层粉体或(a1-ycey)3(al1-zbz)5o12荧光层粉体或aln粉体质量的2～7％。

15、优选的，步骤(3)中，所述(re1-xcex)3al5o12单层陶瓷素坯、(a1-ycey)3(al1-zbz)5o12单层陶瓷素坯和aln单层陶瓷素坯的厚度均为0.01～0.1mm。

16、优选的，步骤(5)中，所述排胶制度为：在流动氮气气氛中，以0.2～5℃/m5n升温到500℃，再以5～10℃/m5n升温到900℃，在900℃保温5～8h。

17、优选的，步骤(5)中，所述烧结温度为1740～1780℃，烧结时间为5～12h，烧结气氛为氢气与氮气的混合气氛，所述氢气与氮气之间的体积比为1:(1～2)。

18、与现有技术方案相比，本发明具有以下优点：

19、(1)本发明的发光离子的基质都为陶瓷材料，具有较高的热导率，适合于未来大功率和高亮度激光照明；此外，本发明通过流延成型制备出高导热的aln陶瓷作为散热层和反射层，所制备得到的复合结构陶瓷具有更高的发光效率；

20、(2)本发明通过双层荧光层设计来增强激光驱动白色照明的显色性，实现了反射配置下的颜色调谐，复合结构陶瓷具有更高的显指；

21、(3)本发明采用流延成型与等静压成型相结合的粉体成型工艺来提高复合结构荧光陶瓷流延生坯的密度，从而有助于获得高效率宽显指的复合结构荧光陶瓷；

22、(4)本发明所得的复合结构荧光陶瓷，在450nm蓝光激发下，当激光激发功率密度为30w/mm2时，最大发光效率为240～280lm/w，色温为3500～4500k，显色指数为85～90，同时在150℃时发射强度仅损失了3.2～6.1％，成品率高，适合批量生产，能够满足激光照明技术迅猛发展的市场需求，具有良好的经济效益。