一種多層復(fù)合yag透明陶瓷及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明采用多層復(fù)合透明陶瓷材料，在上下透明陶瓷層中分別引入熒光材料Ce和Pr，采用提高SiO2含量的中間層，用一步煅燒法制備多層復(fù)合透明陶瓷，改善了傳統(tǒng)的黃光Ce:YAG透明陶瓷LED燈具的發(fā)光特性，使藍光激發(fā)光源發(fā)出的藍光透射過YAG透明陶瓷后發(fā)出的白光具有更好的色溫和顯色指數(shù)，還提高了多層透明陶瓷的機械性能和使用壽命。
【專利說明】-種多層復(fù)合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燈的多層YAG透明陶瓷的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 白光LED是利用藍光LED激發(fā)黃色熒光粉涂覆層發(fā)出黃光，進而藍光與黃光復(fù)合 后發(fā)出白光。這種白光LED具有壽命長、綠色環(huán)保等特點，蘊含巨大市場潛力和應(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)氧樹脂或者硅膠固定藍光芯片，制備出白光LEO的缺點有：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，由于藍色 LED芯片散發(fā)的熱量和短波輻射，導(dǎo)致用于固定藍色LED芯片上熒光粉的有機材料透光率 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等特點，利用在白光LED的封裝上，對YAG: Ce陶瓷進行大量 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，如堅硬、耐熱、耐潮濕、耐腐蝕等，用在白光LED封 裝上取得了不錯的效果。
[0006] Jong等人研究熒光粉遠置封裝方式，既降低了熒光粉溫度，又減少了芯片對熒光 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 2O3-SiO2，且采用傳統(tǒng)的高溫固相法，所以制備溫度高達1500?1650°C。
[0007] 中國專利CN102501478A公開了一種用于白光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。采用藍光LED激發(fā)該復(fù)合透明陶瓷，產(chǎn)生 的紅光和透過的藍光形成高品質(zhì)的白光，具有顯色指數(shù)高，色溫溫和的特點。
[0008] 中國專利CN102390982A公開了 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)域使用的、改進的YAG透明陶 瓷材料的制備方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用該YAG透明陶瓷的LED燈具在更好的顯色指數(shù)和 色溫。
[0010] 本發(fā)明采用多層復(fù)合透明陶瓷材料，在上下透明陶瓷層中分別引入熒光材料Ce 和Pr,采用提高SiO2含量的中間層，用一步煅燒法制備多層復(fù)合透明陶瓷，改善了傳統(tǒng)的 黃光Ce: YAG透明陶瓷LED燈具的發(fā)光特性，使藍光激發(fā)光源發(fā)出的藍光透射過YAG透明陶 瓷后發(fā)出的白光具有更好的色溫和顯色指數(shù)，還提高了多層透明陶瓷的機械性能和使用壽 命。
[0011] 本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)中將Ce:YAG和Pr:YAG分別煅燒，然后采用粘合劑將二者 粘合起來的技術(shù)方案，采用一次煅燒成型的方法，使得多層復(fù)合透明陶瓷材料具有更好的 機械性能?，F(xiàn)有技術(shù)中采用的粘合劑粘合的方法，大多采用有機粘合劑，在強光照射下，很 容易發(fā)生光化學反應(yīng)，導(dǎo)致有機物粘合劑的透光率緩慢下降，最終影響燈具的壽命。本發(fā)明 采用具有較高含量SiO 2的中間層，產(chǎn)生較多的玻璃相連續(xù)晶體，利用SiO2的高透光性能和 粘合性，使上下兩個功能層更緊密的結(jié)合，同時避免了由于材料性質(zhì)不同而導(dǎo)致的高溫收 縮率不同，減少了內(nèi)部應(yīng)力，使上下兩層不同材料之間有更加良好的機械性能過渡，不僅提 高了復(fù)合陶瓷層的透光性能，減少了氣泡的生成而且對于提高復(fù)合陶瓷的耐高溫性能，對 延長使用壽命也有很大的幫助。
[0012] 此外適量的SiO2可以與YAG形成釔鋁硅酸鹽液相，液相的存在為原子快速擴散提 供了通道，從而促進了 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)明還進一步優(yōu)化了 SiO2的摻雜質(zhì)量比，當SiO2的摻雜比例在7-10%時候，得到的 改性YAG陶瓷的透明度和透光率最大，同時適量的SiO 2的可以降低Ce = YAG透明陶瓷材料 的煅燒溫度。適量的SiO2加入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。
[0013] 改進劑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，從而進一步改善了陶瓷的品質(zhì)，尤其是GeO 2的加入，可以和SiO2產(chǎn) 生協(xié)同效應(yīng)，使得煅燒后的陶瓷材料的晶粒大小分布更加均勻。
[0014] 一種多層YAG透明陶瓷，其特征在于，所述YAG透明陶瓷由上下兩層陶瓷原料的 粉末以及中間粘結(jié)層粉末經(jīng)過燒制而成，所述原料的組成以質(zhì)量份數(shù)表示，上層陶瓷原料 包括：Al 2O3 220-300 份，Y2O3 300-380 份，SiO2 40-60 份，CeO2 15-20 份，As2O3 2-5 份，B2O3 3-5 份，GeO2 5-15 份，CaO 0.5-1 份，下層陶瓷原料包括=Al2O3 220-300 份，Y2O3 300-380 份，SiO2 40-60 份，Pr2O3 5-10 份，As2O3 2-5 份，B2O3 3-5 份，GeO2 5-15 份，CaO 0.5-1 份，中 間粘結(jié)層原料包括：Al2O3 220-300 份，Y2O3 300-380 份，SiO2 80-100 份，As2O3 2-5 份，B2O3 3-5份，GeO2 5-15份，CaO 0. 5-1份，所述原料的純度都在99. 99wt %以上，YAG透明陶瓷的 厚度為 〇. 2-0. 6mm。
[0015] 優(yōu)選透明陶瓷上層和下層原料中SiO2的質(zhì)量百分比控制在7-10%，中間層原料中 SiO 2的質(zhì)量百分比控制在15-20%。
[0016] 優(yōu)選YAG透明陶瓷中的GeO2百分比控制在1-3%。
[0017] 優(yōu)選YAG透明陶瓷中SiO2和GeO2的比例為3-7:1，更優(yōu)選是4-6:1。
[0018] 改進YAG透明陶瓷的發(fā)光效率為110-1601m/W。
[0019] 優(yōu)選上層、中間層和下層的厚度比為2-3:1:2-3。
[0020] 所述上中下三層透明陶瓷層中還可以加入適量的稀土元素氧化物如Eu2O3和 Lu 2O3,優(yōu)選其質(zhì)量分數(shù)為Eu2O3 2-5份，Lu2O3 2-4份。
[0021] 一種改進YAG透明陶瓷的制備方法，包括以下步驟：
[0022] a)按照比例將配置好的下層原料以無水乙醇為介質(zhì)，用球磨粉碎后，經(jīng)過干燥、過 篩，壓片；
[0023] b)將按照比例配制中間層原料以無水乙醇為介質(zhì)，用球磨機粉碎后，經(jīng)過干燥、過 濾，在步驟a)得到的壓片上，進行壓片；
[0024] c)將按照比例配制上層原料以無水乙醇為介質(zhì)，用球磨機粉碎后，經(jīng)過干燥、過 濾，在步驟b)得到的壓片上，進行壓片；
[0025] d)對步驟c)得到的壓片進行干壓成型，控制壓力為70-100MPa，保持時間為5-15 分鐘；
[0026] e)對步驟d)中得到的成型素胚進行真空煅燒，煅燒的溫度控制在1520-1580°C， 煅燒時間為7-10小時，煅燒壓力為10-20MPa，升溫速度為10-20°C /min ;
[0027] f)步驟e)煅燒得到的粗胚進行表面拋光處理，得到所述YAG透明陶瓷。
[0028] 優(yōu)選步驟e)中的煅燒溫度是1550°C，煅燒時間為10小時，煅燒壓力為15MPa。

【具體實施方式】
[0029] 以下結(jié)合具體實施例進一步闡述本發(fā)明，應(yīng)該注意的是，這些實施例僅用于舉例 說明本發(fā)明的技術(shù)方案而不是限定本發(fā)明的保護范圍。
[0030] 實施例1
[0031] 其中上層陶瓷原料包括：Al2O3 220g，Y2O3 300g，SiO2 40g，CeO2 15g，As2O3 2g，B2O3 3g，GeO2 5g，CaO 0.5g，下層陶瓷原料包括：Al2O3 220g，Y2O3 300g，SiO2 40g，Pr2O3 5g，As2O3 2g，B2O3 3g，GeO2 5g，CaO 0.5g，中間粘結(jié)層原料包括=Al2O3 220g，Y2O3 300g，SiO2 80g， As2O3 2g，B203 3g，Ge02 5g，Ca0 0.5g，將下層陶瓷原料加入無水乙醇500ml，然后球磨15小 時，在KKTC烘箱中烘干，研磨后過篩、壓片；將中間層陶瓷原料加入無水乙醇500ml，然后 球磨15小時，在KKTC烘箱中烘干，研磨后過篩，在然后在下層陶瓷原料壓片上進行壓片； 將上層陶瓷原料加入無水乙醇500ml，然后球磨15小時，在KKTC烘箱中烘干，研磨后過篩， 在然后在中間層陶瓷原料壓片，在SOMPa壓力下壓制成素胚，然后將粗胚放置在坩堝中。加 熱到1550°C，升溫速度為20°C /min，保溫7小時，以KTC /min的速度升溫到后并保溫10 小時，然后自然冷卻。最后對燒制的透明陶瓷進行打磨和拋光，及得到透明陶瓷產(chǎn)品A1。
[0032] 實施例2
[0033] 其中上層陶瓷原料包括：Al2O3 300g，Y2O3 350g，SiO2 60g，CeO2 20g，As2O3 5g，B2O3 5g，GeO2 10g，CaO lg，下層陶瓷原料包括：Al2O3 300g，Y2O3 350g，SiO2 60g，Pr2O3 10g，As2O3 5g，B2O3 5g，GeO2 10g，CaO lg，中間粘結(jié)層原料包括=Al2O3 300g，Y2O3 350g，SiO2 100g， As2O3 5g，B2O3 5g，GeO2 10g，CaO lg，將下層陶瓷原料加入無水乙醇500ml，然后球磨15小 時，在KKTC烘箱中烘干，研磨后過篩、壓片；將中間層陶瓷原料加入無水乙醇500ml，然后 球磨15小時，在KKTC烘箱中烘干，研磨后過篩，在然后在下層陶瓷原料壓片上進行壓片； 將上層陶瓷原料加入無水乙醇500ml，然后球磨15小時，在KKTC烘箱中烘干，研磨后過篩， 在然后在中間層陶瓷原料壓片，在IOOMPa壓力下壓制成素胚，然后將粗胚放置在坩堝中。 加熱到1550°C，升溫速度為20°C /min，保溫10小時，以10°C /min的速度升溫到后并保溫 10小時，然后自然冷卻。最后對燒制的透明陶瓷進行打磨和拋光，及得到透明陶瓷產(chǎn)品A2。
[0034] 對比例1
[0035] 對比例1采用和實施例1相同上層原料和下層原料，分別對對上下兩層原料進行 煅燒成型，最后用粘結(jié)劑進行粘合。
[0036] 其中上層陶瓷原料包括：Al2O3 220g，Y2O3 300g，SiO2 40g，CeO2 15g，As2O3 2g，B2O3 3g，GeO2 5g，CaO 0.5g，下層陶瓷原料包括：Al2O3 220g，Y2O3 300g，SiO2 40g，Pr2O3 5g，As2O3 2g，B2O3 3g，GeO2 5g，CaO 0.5g，將下層陶瓷原料加入無水乙醇500ml，然后球磨15小時，在 l〇〇°C烘箱中烘干，研磨后過篩、壓片，在SOMPa壓力下壓制成素胚，然后將粗胚放置在坩堝 中。加熱到1550°C，升溫速度為20°C /min，保溫7小時，以10°C /min的速度升溫到后并保 溫10小時，自然冷卻后打磨拋光；將上層陶瓷原料加入無水乙醇500ml，然后球磨15小時， 在KKTC烘箱中烘干，研磨后過篩、壓片，在SOMPa壓力下壓制成素胚，然后將粗胚放置在坩 堝中。加熱到1550°C，升溫速度為20°C /min，保溫7小時，以10°C /min的速度升溫到后并 保溫10小時，自然冷卻后打磨拋光，最后對得到的上下兩層陶瓷用粘合劑進行粘合，及得 到透明陶瓷產(chǎn)品D1。
[0037] 對比例2
[0038] 對比例2將上下兩層陶瓷原料直接進行混合，球磨粉碎，直接燒制成型為單層的 透明陶瓷材料。
[0039] 上層陶瓷原料包括：Al2O3 220g，Y2O3 300g，SiO2 40g，CeO2 15g，As2O3 2g，B2O3 3g， GeO2 5g，CaO 0.5g，下層陶瓷原料包括：Al2O3 220g，Y2O3 300g，SiO2 40g，Pr2O3 5g，As2O3 2g，B203 3g，Ge02 5g，Ca0 0. 5g。將上下兩層透明陶瓷材料直接混合，加入無水乙醇1000ml， 然后球磨15小時，在KKTC烘箱中烘干，研磨后過篩、壓片，在SOMPa壓力下壓制成素胚，然 后將粗胚放置在坩堝中。加熱到1550°C，升溫速度為20°C /min，保溫7小時，以10°C /min 的速度升溫到后并保溫10小時，自然冷卻后打磨拋光1，得到透明陶瓷產(chǎn)品D2。
[0040] 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：
[0041] 表 1
[0042]

【權(quán)利要求】
1. 一種多層復(fù)合YAG透明陶瓷，其特征在于，所述YAG透明陶瓷由上下兩層陶瓷原料的 粉末以及中間粘結(jié)層粉末經(jīng)過燒制而成，所述原料的組成以質(zhì)量份數(shù)表示，上層陶瓷原料 包括：Al 203220-300 份，Y203300-380 份，Si0240-60 份，Ce021 5-20 份，As2032-5 份，B2033-5 份， Ge025-15 份，CaOO. 5-1 份，下層陶瓷原料包括：Al203220-300 份，Y203300-380 份，Si0240-60 份，Pr2035-10 份，As2032-5 份，B2033-5 份，Ge025-15 份，CaOO. 5-1 份，中間粘結(jié)層原料包括： Al203220-300 份，Y203300-380 份，Si0280-100 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，YAG透明陶瓷的厚度為0. 2-0. 6mm。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述多層復(fù)合YAG透明陶瓷，其特征在于透明陶瓷上層和下層原 料中Si02的質(zhì)量百分比控制在7-10%，中間層原料中Si0 2的質(zhì)量百分比控制在15-20%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述多層復(fù)合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中所述多層復(fù)合YAG透明陶瓷，其特征在于所述YAG透明陶瓷中 Si0jPGe02的比例為3-7:1，更優(yōu)選是4-6:1。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述多層復(fù)合YAG透明陶瓷，其特征在于其發(fā)光效率為110-1601m/ I
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述多層復(fù)合YAG透明陶瓷，其特征在于上層、中間層和下層的厚度 比為 2-3:1:2-3。
7. -種如權(quán)利要求1所述多層復(fù)合YAG透明陶瓷的制備方法，包括以下步驟： a) 按照比例將配置好的上層原料以無水乙醇為介質(zhì)，用球磨粉碎后，經(jīng)過干燥、過篩， 壓片； b) 將按照比例配制中間層原料以無水乙醇為介質(zhì)，用球磨機粉碎后，經(jīng)過干燥、過濾， 在步驟a)得到的壓片上，進行壓片； c) 將按照比例配制下層原料以無水乙醇為介質(zhì)，用球磨機粉碎后，經(jīng)過干燥、過濾，在 步驟b)得到的壓片上，進行壓片； d) 對步驟c)得到的壓片進行干壓成型，控制壓力為70-100MPa，保持時間為5-15分 鐘； e) 對步驟d)中得到的成型素胚進行真空煅燒，煅燒的溫度控制在1520-1580°C，煅燒 時間為7-10小時，煅燒壓力為10-20MPa，升溫速度為10-20°C /min ; f) 步驟e)煅燒得到的粗胚進行表面拋光處理，得到所述YAG透明陶瓷。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于步驟e)中的煅燒溫度是1550°C，煅燒 時間為10小時，煅燒壓力為15MPa。
【文檔編號】C04B35/44GK104276818SQ201410459441
【公開日】2015年1月14日 申請日期: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 申請人:江蘇誠贏照明電器有限公司