一種yag透明陶瓷及其制備方法
【專(zhuān)利摘要】一種改進(jìn)的YAG透明陶瓷，所述YAG透明陶瓷由以下重量份的原料組成燒制而成，Al2O3 220-300份，Y2O3 300-380份，SiO2 60-75份，CeO2 15-20份，Pr2O3 5-10份，Eu2O3 2-5份，Lu2O3 2-4份，As2O3 2-5份，B2O33-5份，GeO2 5-15份，CaO 0.5-1份，所述原料的純度都在99.99wt％以上，透明陶瓷的厚度為0.2-0.6mm。與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用藍(lán)光LED激發(fā)該透明陶瓷，能夠產(chǎn)生高品質(zhì)的白光，具有顯色指數(shù)高和色溫柔和的特點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】-種YAG透明陶瓷及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于白光LED的透明陶瓷的制備方法，具體的說(shuō)是對(duì)YAG(釔鋁石 榴石）透明陶瓷材料制備方法的改進(jìn)。

【背景技術(shù)】
[0002] 白光LED是利用藍(lán)光LED激發(fā)黃色熒光粉涂覆層發(fā)出黃光，進(jìn)而藍(lán)光與黃光復(fù)合 后發(fā)出白光。這種白光LED具有壽命長(zhǎng)、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，蘊(yùn)含巨大市場(chǎng)潛力和應(yīng)用前景。
[0003] 黃色熒光粉的主要成分是鈰摻雜的釔鋁石榴石（YAG:Ce)。傳統(tǒng)的粉體封裝白光 LED采用環(huán)氧樹(shù)脂或者硅膠固定藍(lán)光芯片，制備出白光LE0的缺點(diǎn)有：一方面由于涂敷在芯 片表面的突光粉與娃膠混合層的厚度很難控制，白光相關(guān)色溫（CCT)角向分布不均勻，導(dǎo) 致出射白光有藍(lán)圈、黃圈的現(xiàn)象；另一方面白光LED的壽命短、穩(wěn)定性差。同時(shí)，由于藍(lán)色 LED芯片散發(fā)的熱量和短波輻射，導(dǎo)致用于固定藍(lán)色LED芯片上熒光粉的有機(jī)材料透光率 下降，使得白光LED的壽命趨于縮短；由于熒光粉緊貼芯片發(fā)熱源，溫升導(dǎo)致熒光粉性能劣 化，影響了產(chǎn)品的穩(wěn)定性。
[0004] 解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵在于改變熒光粉的封裝方式。近幾年，人們嘗試將陶瓷的均 勻性高、穩(wěn)定性好及使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，利用在白光LED的封裝上，對(duì)YAG: Ce陶瓷進(jìn)行大量 的研究，并取得了一定的成果。
[0005] 2005年，日本電氣玻璃公司首先制備出用于白光LED的Ce:YAG微晶玻璃陶瓷熒光 體，由于它兼有玻璃和陶瓷的許多優(yōu)點(diǎn)，如堅(jiān)硬、耐熱、耐潮濕、耐腐蝕等，用在白光LED封 裝上取得了不錯(cuò)的效果。
[0006] Jong等人研究熒光粉遠(yuǎn)置封裝方式，既降低了熒光粉溫度，又減少了芯片對(duì)熒光 粉散射光的吸收，提高了出光效率。Shunsuke等人研究玻璃陶瓷熒光粉，但由于玻璃基質(zhì)為 Al 203-Si02，且采用傳統(tǒng)的高溫固相法，所以制備溫度高達(dá)1500?1650°C。
[0007] 中國(guó)專(zhuān)利CN102501478A公開(kāi)了一種用于白光LED熒光轉(zhuǎn)換的復(fù)合透明陶瓷及其 制備方法，該復(fù)合透明陶瓷由上下兩層透明陶瓷粘合而成，上層透明陶瓷采用Pr改性的 YAG透明陶瓷，下層采用Ce改性的YAG透明陶瓷。采用藍(lán)光LED激發(fā)該復(fù)合透明陶瓷，產(chǎn)生 的紅光和透過(guò)的藍(lán)光形成高品質(zhì)的白光，具有顯色指數(shù)高，色溫溫和的特點(diǎn)。
[0008] 中國(guó)專(zhuān)利CN102390982A公開(kāi)了 一種發(fā)白光的低溫共燒陶瓷材料及其制備方法， 該陶瓷材料各組分的摩爾百分比為：Ca0:10-20%，B20 3:50-60%，Si02:50-60%，光激活劑 離子1-9%。該陶瓷采用Sol-gol法，燒結(jié)溫度較低，收縮率在13-17%之間。制備出的陶 瓷材料可以用于照明及顯示等領(lǐng)域。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于提供一種用于高功率LED照明領(lǐng)域的使用改進(jìn)的Ce: YAG透明 陶瓷材料，與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用該Ce:YAG透明陶瓷的LED燈具在顯色指數(shù)和色溫方面有 改進(jìn)。具有熱導(dǎo)率高，化學(xué)穩(wěn)定性好，壽命長(zhǎng)，發(fā)光效率高的特點(diǎn)。
[0010] 本發(fā)明在傳統(tǒng)的Ce: YAG透明陶瓷材料增加了添加劑納米Si02，由于Si02可以與 YAG形成釔鋁硅酸鹽液相，液相的存在為原子快速擴(kuò)散提供了通道，從而促進(jìn)了 YAG透明陶 瓷的致密化，從而使得制備出的YAG陶瓷更接近理論密度。本發(fā)明人意外的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其它的 原料粒徑保持在微米級(jí)，而僅Si0 2為納米級(jí)時(shí)，制備出的YAG陶瓷具有更接近理論密度，力口 強(qiáng)了 YAG陶瓷的致密度。本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，如果將所有陶瓷原料組分處理的過(guò)細(xì)，如都達(dá)到 納米級(jí)，則會(huì)導(dǎo)致粉末團(tuán)聚現(xiàn)象更加明顯，反而不利于陶瓷的致密化過(guò)程；如果將所有物料 顆粒都保持在微米級(jí)別，則制備出的陶瓷會(huì)又會(huì)存在氣泡較多，晶粒分布不均；而當(dāng)其它物 料粒度保持在微米級(jí)別，僅將Si0 2處理到納米級(jí)別，不僅有利于生成釔鋁硅酸鹽液相，而且 還能抑制粉末團(tuán)聚化，提高致密化過(guò)程的效率，減少晶體內(nèi)部氣孔形成。
[0011] 本發(fā)明還進(jìn)一步優(yōu)化了 Si02的摻雜質(zhì)量比，當(dāng)Si02的摻雜比例在10-15%時(shí)候， 得到的改性YAG陶瓷的透明度和透光率最大，同時(shí)適量的Si0 2的可以降低Ce:YAG透明陶 瓷材料的煅燒溫度。適量的Si02加入Ce:YAG透明陶瓷材料后形成了固溶膠，有助于在晶 體結(jié)構(gòu)中形成空位，從而提高透光度。
[0012] 本發(fā)明優(yōu)選將Pr203、Eu20 3、Lu203引入陶瓷體系中，進(jìn)一步提高了陶瓷的機(jī)械性能 發(fā)光效率。增加的稀土元素改善了晶體場(chǎng)的周?chē)h(huán)境，引起了能級(jí)的分裂，導(dǎo)致了發(fā)射峰位 遷移，使得制備的透明陶瓷經(jīng)過(guò)藍(lán)光照射，使得陶瓷的發(fā)射光譜發(fā)生適當(dāng)?shù)募t移，采用該陶 瓷制備出的LED燈具發(fā)出的光線更接近于自然日光，色溫控制在4000-5000K，此外少量稀 土元素Pr 203、Eu203、Lu20 3的引入還有助于提高發(fā)光強(qiáng)度。優(yōu)選Pr203、Eu20 3、Lu203的質(zhì)量比 為 1-2:1:1。
[0013] 改進(jìn)劑66〇2482033 203和CaO的引入，改善了陶瓷中晶粒粒度大小和分布，降低了 焙燒引起的陶瓷收縮率，從而進(jìn)一步改善了陶瓷的品質(zhì)。
[0014] 本發(fā)明的改進(jìn)之處還在于煅燒工藝的改善，本發(fā)明采用先在較高溫度下煅燒一段 時(shí)間后再降溫到較低溫度下煅燒一段時(shí)間。這樣的處理工藝使得晶粒尺寸減小，從而進(jìn)一 步提高透明陶瓷的透光度。
[0015] 一種YAG透明陶瓷，由以下重量份的原料組成燒制而成，A1203 220-300份，Y203 300-380 份，Si02 60-75 份，Ce02 1 5 -20 份，Pr203 5-10 份，Eu203 2-5份，Lu203 2-4份，As203 2-5份，B203 3-5份，Ge02 5-15份，CaO 0. 5-1份，所述原料的純度都在99. 99wt%以上，透 明陶瓷的厚度為0.2-0. 6mm。
[0016] 該YAG透明陶瓷中Si02的質(zhì)量百分比控制在10-15%。
[0017] 該YAG透明陶瓷中的Ge02百分比控制在1-3%。
[0018] 該YAG透明陶瓷中Si0jPGe02的比例為5-10 :1，優(yōu)選6-7 :1。
[0019] 該YAG透明陶瓷的發(fā)光效率為120-1801m/W。
[0020] 其中Si02的粒徑大小為10-100納米，其它物料的粒徑為1-10微米。
[0021] 納米Si02顆?？梢圆捎矛F(xiàn)有技術(shù)中常見(jiàn)的氣相沉淀法、離子交換法、沉淀法、溶膠 凝膠法等制備。
[0022] YAG透明陶瓷的制備方法包括以下步驟：
[0023] a)采用氣相沉積法或沉淀法制備粒徑為10-100nm的Si02 ;
[0024] b)將按照比例配制的除Si02以外的原料顆粒加入無(wú)水乙醇，用球磨機(jī)粉碎至于 1-10微米，出料經(jīng)過(guò)烘干過(guò)篩后得到原料粉末；
[0025] c)對(duì)步驟a)和b)得到的原料粉末用超聲波進(jìn)行分散混合后，進(jìn)行干壓成型，控制 壓力為50-100MPa，保持時(shí)間為1-10分鐘；
[0026] d)對(duì)步驟c)中得到的成型素胚進(jìn)行真空煅燒，煅燒的溫度控制在1250-1300°C， 煅燒時(shí)間為7-10小時(shí)，煅燒壓力為10-20MPa ;
[0027]e)經(jīng)過(guò)步驟d)真空煅燒后，升溫到1520-1580°C，煅燒時(shí)間為12-15小時(shí)，煅燒壓 力為5-10MPa，得到所述YAG透明陶瓷。
[0028] 步驟c)中的煅燒溫度是1260°C，步驟d)中的煅燒溫度是1550°C。

【具體實(shí)施方式】
[0029] 以下結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明，應(yīng)該注意的是，這些實(shí)施例僅用于舉例 說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而不是限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0030] 實(shí)施例1
[0031] 透明陶瓷的質(zhì)量組成為：A1203 220g，Y203 350g，Si02 70g，Ce0215g，Pr203 5g，Eu203 2g，Lu203 2g，As203 2g，B203 3g，Ge025g，Ca0 0.5g。將除 SiOjF的物料放入球磨機(jī)中，加入 無(wú)水乙醇500ml，然后球磨15小時(shí)，在100°C烘箱中烘干，研磨后過(guò)篩得到粒徑為1-10微 米的顆粒，將采用氣相沉淀法制備的納米Si0 2和得到的其他物料顆粒經(jīng)超聲波分散混合， 然后在80MPa壓力下壓制成素胚，然后將粗胚放置在坩堝中。加熱到1300°C，升溫速度為 20°C /min，保溫5小時(shí)，以10°C /min的速度升溫到1520°C后并保溫10小時(shí)，然后自然冷 卻。最后對(duì)燒制的透明陶瓷進(jìn)行打磨和拋光，及得到透明陶瓷產(chǎn)品A1。
[0032] 實(shí)施例2
[0033] 透明陶瓷的質(zhì)量組成為：A1203 300g，Y203 350g，Si02 60g，Ce0220g，Pr203 10g， Eu203 5g，Lu203 4g，As203 5g，B203 5g，Ge0210g，Ca0 lg。將除 Si〇d卜的物料放入球磨機(jī)中， 加入無(wú)水乙醇500ml，然后球磨15小時(shí)，在100°C烘箱中烘干，研磨后過(guò)篩得到粒徑為1-10 微米的顆粒，將采用氣相沉淀法制備的納米Si0 2和得到的其他物料顆粒經(jīng)過(guò)超聲波分散粉 碎，然后在lOOMPa壓力下壓制成素胚，然后將粗胚放置在坩堝中。加熱到1250°C，升溫速度 為20°C /min，保溫5小時(shí)，以10°C /min的速度升溫到1550°C后并保溫10小時(shí)，然后自然 冷卻。最后對(duì)燒制的透明陶瓷進(jìn)行打磨和拋光，及得到透明陶瓷產(chǎn)品A2。
[0034] 對(duì)比例1
[0035] 對(duì)比例1采用和實(shí)施例1基本的原料組成，不同之處在于Si02與其他物料的粒徑 都是1 _1〇微米。
[0036] 透明陶瓷的質(zhì)量組成為：A1203 220g，Y203 350g，Si02 70g，Ce0215g，Pr203 5g， Eu203 2g，Lu203 2gg，As203 2g，B203 3g，Ge025g，Ca0 0.5g。將原料放入球磨機(jī)中，加入無(wú)水 乙醇500ml，然后球磨15小時(shí)，在100°C烘箱中烘干，研磨后過(guò)篩得到粒徑為1-10微米的顆 粒，然后在80MPa壓力下壓制成素胚，然后將粗胚放置在坩堝中。加熱到1300°C，升溫速度 為20°C /min，保溫5小時(shí)，以10°C /min的速度升溫到1520°C后并保溫10小時(shí)，然后自然 冷卻。最后對(duì)燒制的透明陶瓷進(jìn)行打磨和拋光，及得到透明陶瓷產(chǎn)品D1。
[0037] 對(duì)比例2
[0038] 對(duì)比例2采用和實(shí)施例1相同的原料組成，不同之處在于所有物料的粒度都是 10-100 納米。
[0039] 透明陶瓷的質(zhì)量組成為：A1203 220g，Y203 350g，Si02 70g，Ce0215g，Pr203 5g，Eu203 2g，Lu203 2g，As203 2g，B203 3g，Ge025g，CaO 0.5g。將物料放入球磨機(jī)中，加入無(wú)水乙醇 500ml，然后球磨20小時(shí)，在100°C烘箱中烘干，研磨后過(guò)篩得到粒徑為10-100納米的顆粒， 然后在80MPa壓力下壓制成素胚，然后將粗胚放置在坩堝中。加熱到1300°C，升溫速度為 20°C /min，保溫5小時(shí)，以10°C /min的速度升溫到1520°C后并保溫10小時(shí)，然后自然冷 卻。最后對(duì)燒制的透明陶瓷進(jìn)行打磨和拋光，及得到透明陶瓷產(chǎn)品D2。
[0040] 對(duì)比例3
[0041] 對(duì)比例3采用的原料組成中沒(méi)有添加改進(jìn)劑Ge02、As20 3、B203和CaO。
[0042] 透明陶瓷的質(zhì)量組成為：A1203 220g，Y203 350g，Si02 70g，Ce0215g，Pr203 5g，Eu203 2g，Lu203 2g。將除5102外的物料放入球磨機(jī)中，加入無(wú)水乙醇500ml，然后球磨15小時(shí)， 在100°C烘箱中烘干，研磨后過(guò)篩得到粒徑為1-10微米的顆粒，將采用氣相沉淀法制備的 納米Si0 2和得到的其他物料顆粒經(jīng)超聲波分散混合，然后在80MPa壓力下壓制成素胚，然 后將粗胚放置在坩堝中。加熱到1300°C，升溫速度為20°C /min，保溫5小時(shí)，以10°C /min 的速度升溫到1520°C后并保溫10小時(shí)，然后自然冷卻。最后對(duì)燒制的透明陶瓷進(jìn)行打磨和 拋光，及得到透明陶瓷產(chǎn)品D3。
[0043] 將制備得到的所有陶瓷片的都打磨成0. 2mm的薄片，以發(fā)射波長(zhǎng)為460nm的氮化 鎵作為發(fā)射光源，封裝得到的LED燈的性能如表1所示：
[0044] 表 1

【權(quán)利要求】
1. 一種改進(jìn)的YAG透明陶瓷，其特征在于，所述YAG透明陶瓷由以下重量份的原料組 成燒制而成，Al 203220-300 份，Y203300-380 份，Si0260-75 份，Ce0215-20 份，Pr2035-10 份， Eu2032-5 份，Lu2032-4 份，As2032-5 份，B2033-5 份，Ge025-15 份，CaO 0· 5-1 份，所述原料的純 度都在99. 99wt %以上，透明陶瓷的厚度為0. 2-0. 6mm。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述改進(jìn)的YAG透明陶瓷，其特征在于透明陶瓷中Si02的質(zhì)量百 分比控制在10-15%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述改進(jìn)的YAG透明陶瓷，其特征在于所述YAG透明陶瓷中的 Ge02百分比控制在1-3%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述改進(jìn)的YAG透明陶瓷，其特征在于所述YAG透明陶瓷中Si02 和Ge02的比例為5-10 :1，優(yōu)選為6-7 :1。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述改進(jìn)的YAG透明陶瓷，其特征在于其發(fā)光效率為120-1801m/W。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述改進(jìn)的YAG透明陶瓷，其特征在于其中Si02的粒徑大小為 10-100納米，A1 203和Y203的粒徑為1-10微米。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述改進(jìn)的YAG透明陶瓷，其特征在于Si02顆?？梢圆捎矛F(xiàn)有技術(shù) 中常見(jiàn)的氣相沉淀法、離子交換法、沉淀法、溶膠凝膠法等方法制備。
8. -種如權(quán)利要求1所述改進(jìn)的YAG透明陶瓷的制備方法，包括以下步驟： a) 采用氣相沉積法或沉淀法制備粒徑為10-100nm的Si02 ; b) 將按照比例配制的除Si02以外的原料顆粒加入無(wú)水乙醇，用球磨機(jī)粉碎至于1-10 微米，出料經(jīng)過(guò)烘干過(guò)篩后得到原料粉末； c) 對(duì)步驟a)和b)得到的原料粉末用超聲波進(jìn)行分散混合后，進(jìn)行干壓成型，控制壓力 為50-100MPa，保持時(shí)間為1-10分鐘； d) 對(duì)步驟c)中得到的成型素胚進(jìn)行真空煅燒，煅燒的溫度控制在1250-1300°C，煅燒 時(shí)間為7-10小時(shí)，煅燒壓力為10-20MPa ; e) 經(jīng)過(guò)步驟d)真空煅燒后，升溫到1520-1580°C，煅燒時(shí)間為12-15小時(shí)，煅燒壓力為 5-1 OMPa，得到所述YAG透明陶瓷。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征在于步驟d)中的煅燒溫度是1260°C，步驟 e)中的煅燒溫度是1550°C。
【文檔編號(hào)】C04B35/505GK104291823SQ201410458635
【公開(kāi)日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年9月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月10日
【發(fā)明者】俞立軍 申請(qǐng)人:江蘇誠(chéng)贏照明電器有限公司