在超重力场中燃烧合成制备Ce:YAG玻璃陶瓷的方法

摘要

本发明属于无机光学材料技术领域，具体涉及一种在超重力场中燃烧合成制备Ce:YAG玻璃陶瓷的方法。本发明以Al-CuO和Al-NiO中的一种作为反应体系，以Y

说明书

技术领域

本发明属于无机光学材料技术领域，具体涉及一种在超重力场中燃烧合 成制备Ce:YAG玻璃陶瓷的方法。

背景技术

白光LED具有全固态、无污染、高效能、寿命长的优点，将逐渐取代传 统的白炽灯和荧光灯，成为新一代的照明光源。目前，商用白光LED主要通 过蓝光LED芯片结合YAG：Ce³⁺黄色荧光粉形成白光，采用环氧树脂封装。 然而，在实际应用中不可避免的存在荧光粉涂覆不均匀，环氧树脂热导率低 且在紫外光长期照射下易老化，造成荧光粉亮度下降、色漂移、寿命缩短等 问题。随着市场对大功率白光LED需求的不断增加，研发具有高热导率、化 学稳定的固态发光材料是发展白光LED技术的新方向。其中，掺杂Ce³⁺的YAG 玻璃陶瓷具有较高的热导率和良好的稳定性，成为目前研究的热点。

常用的制备Ce:YAG玻璃陶瓷的方法有两种：一种是先获得前驱体玻璃 再进行热处理，从玻璃基体中晶化析出YAG:Ce³⁺晶相；另一种是直接将 YAG:Ce³⁺荧光粉与低熔点玻璃混合共融获得Ce:YAG玻璃陶瓷。由于YAG（钇 铝石榴石，化学式为Y₃Al₅O₁₂）晶相熔点高，析晶温度高，以上两种制备方 法通常都需要在高温度下对材料进行较长时间的热处理，以获得结构组分均 匀、YAG晶相含量高的C_e:YAG玻璃陶瓷。

3Y₂O₃+10Al+15CuO=2Y₃Al₅O₁₂+15Cu  (1)

3Y₂O₃+10Al+15NiO=2Y₃Al₅O₁₂+15Ni  (2)

燃烧合成技术具有工艺简单、反应迅速、制备温度高等特点，适用于多 种高熔点无机材料的制备，但制得的块体材料通常纯度较低、气孔率较高。 超重力场是指通过离心的方式获得的比地球重力加速度（g=9.8N/Kg）大得多 的环境。在超重力场中，气-液、液-液、液-固两相间的传热传质过程得到极 大的强化，能够高效的实现如上述式1、式2所示的铝热反应。将燃烧合成技 术与超重力场相结合，能够极大的促进材料制备过程中的传热与传质过程， 提高制得块体材料的纯度与致密度。在超重力场中燃烧合成制备Ce:YAG玻 璃陶瓷能够弥补已有方法制得的Ce:YAG玻璃陶瓷中YAG晶相含量低、制备 周期长、生产成本高的不足。

发明内容

本发明的目的是提供一种在超重力场中燃烧合成制备Ce:YAG玻璃陶瓷 的方法。

本发明以Al-CuO和Al-NiO中的一种作为反应体系，以Y₂O₃、SiO₂、B₂O₃和CeF₃作为稀释剂，在超重力场中（500～5000g）诱发各种原料之间发生高 温铝热反应，铝热反应的产物玻璃陶瓷熔体与金属熔体在超重力场中实现快 速分离、致密化和冷却，得到玻璃陶瓷固体和金属固体，其中玻璃陶瓷固体 为玻璃陶瓷熔体在冷却过程中自发结晶得到的Ce:YAG玻璃陶瓷。本发明具 有制得的Ce:YAG玻璃陶瓷中YAG晶相含量高、制备周期短、生产成本低等 特点。

本发明的在超重力场中燃烧合成制备Ce:YAG玻璃陶瓷的方法为：将CuO 或者NiO与Al、Y₂O₃、SiO₂、B₂O₃和CeF₃原料混合均匀并压坯，得到相对 密度为40%～60%的铝热剂预制块，将得到的铝热剂预制块装入石墨坩埚中， 并置于超重力设备中；然后在真空度为10～1000Pa，离心力为500～5000g的超 重力场中，利用通电钨螺旋丝发热诱发铝热剂预制块中的各种原料之间发生 高温铝热反应，铝热反应的产物玻璃陶瓷熔体与金属熔体在超重力场中实现 快速分离、致密化和冷却，得到玻璃陶瓷固体和金属固体，其中玻璃陶瓷固 体为玻璃陶瓷熔体在冷却过程中自发结晶得到的Ce:YAG玻璃陶瓷。

所述的铝热剂预制块中各种原料组分的摩尔百分含量为：CuO或者 NiO:40.5～51%，Al:27～34%，Y₂O₃:8.1～10.2%，SiO₂:4～20.5%，B₂O₃:0.6～3.2%， CeF₃:0.2～0.7%，且原料中CuO或者NiO与Al及Y₂O₃之间的摩尔比为CuO 或者NiO:Al:Y₂O₃=15:10:3。

所述的Ce:YAG玻璃陶瓷中的YAG晶相的体积百分含量为30～60%。

所述的超重力场是在超重力设备中通过高速离心产生。

本发明的在超重力场中燃烧合成制备Ce:YAG玻璃陶瓷的方法，将燃烧 合成技术与超重力场相结合用于Ce:YAG玻璃陶瓷的制备，在传热、传质过 程中极大增强的超重力场的作用下，充分发挥出了燃烧合成技术制备温度高、 反应迅速、能耗低的特点。

本发明的在超重力场中燃烧合成制备Ce:YAG玻璃陶瓷的方法具有制得 的Ce:YAG玻璃陶瓷中YAG晶相含量高、制备周期短、生产成本低等特点。

附图说明

图1.本发明实施例1的Ce:YAG玻璃陶瓷的XRD图谱。

图2.本发明实施例1的Ce:YAG玻璃陶瓷的SEM图。

图3.本发明实施例2的Ce:YAG玻璃陶瓷的激发发射光谱图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步的说明，但本发明并不局限于 下面所述的内容。

实施例1

将CuO、Al、Y₂O₃、SiO₂、B₂O₃、CeF₃原料按表1所示配比混合均匀并 压坯，得到相对密度为60%的铝热剂预制块，将得到的铝热剂预制块装入石 墨坩埚中，并置于超重力设备中；然后在真空度为10Pa，离心力为5000g的 超重力场中，利用通电钨螺旋丝发热诱发铝热剂预制块中的各种原料之间发 生高温铝热反应，铝热反应的产物玻璃陶瓷熔体与金属熔体在超重力场中实 现快速分离、致密化和冷却，得到玻璃陶瓷固体和金属固体，其中玻璃陶瓷 固体为玻璃陶瓷熔体在冷却过程中自发结晶得到的Ce:YAG玻璃陶瓷。

表1

组分 CuO Al Y₂O₃SiO₂B₂O₃CeF₃摩尔含量（mol%） 51 34 10.2 4 0.6 0.2

对得到的Ce:YAG玻璃陶瓷进行XRD（如图1所示）、SEM（如图2所示） 分析和光谱性质、密度测试，得到的结果如下：Ce:YAG玻璃陶瓷由YAG晶 相和玻璃相组成，无残留金属相，密度为4.10g/cm³，Ce:YAG玻璃陶瓷中的 YAG晶相的体积百分含量为60%，Ce:YAG玻璃陶瓷的激发峰和发射峰分别 为470nm和535nm。

实施例2

将CuO、Al、Y₂O₃、SiO₂、B₂O₃、CeF₃原料按表2所示配比混合均匀并 压坯，得到相对密度为50%的铝热剂预制块，将得到的铝热剂预制块装入石 墨坩埚中，并置于超重力设备中；然后在真空度为500Pa，离心力为3000g的 超重力场中，利用通电钨螺旋丝发热诱发铝热剂预制块中的各种原料之间发 生高温铝热反应，铝热反应的产物玻璃陶瓷熔体与金属熔体在超重力场中实 现快速分离、致密化和冷却，得到玻璃陶瓷固体和金属固体，其中玻璃陶瓷 固体为玻璃陶瓷熔体在冷却过程中自发结晶得到的Ce:YAG玻璃陶瓷。

表2

组分 CuO Al Y₂O₃SiO₂B₂O₃CeF₃摩尔含量（mol%） 46.5 31 9.3 11 1.8 0.4

对得到的Ce:YAG玻璃陶瓷进行XRD、SEM分析和光谱性质（如图3所 示）、密度测试，得到的结果如下：Ce:YAG玻璃陶瓷由YAG晶相和玻璃相组 成，无残留金属相，密度为3.98g/cm³，Ce:YAG玻璃陶瓷中的YAG晶相的体 积百分含量为48%，Ce:YAG玻璃陶瓷的激发峰和发射峰分别为470nm和 535nm。

实施例3

将CuO、Al、Y₂O₃、SiO₂、B₂O₃、CeF₃原料按表3所示配比混合均匀并 压坯，得到相对密度为40%的铝热剂预制块，将得到的铝热剂预制块装入石 墨坩埚中，并置于超重力设备中；然后在真空度为1000Pa，离心力为500g的 超重力场中，利用通电钨螺旋丝发热诱发铝热剂预制块中的各种原料之间发 生高温铝热反应，铝热反应的产物玻璃陶瓷熔体与金属熔体在超重力场中实 现快速分离、致密化和冷却，得到玻璃陶瓷固体和金属固体，其中玻璃陶瓷 固体为玻璃陶瓷熔体在冷却过程中自发结晶得到的Ce:YAG玻璃陶瓷。

表3

组分 CuO Al Y₂O₃SiO₂B₂O₃CeF₃摩尔含量（mol%） 40.5 27 8.1 20.5 3.2 0.7

对得到的Ce:YAG玻璃陶瓷进行XRD、SEM分析和光谱性质（如图3所 示）、密度测试，得到的结果如下：Ce:YAG玻璃陶瓷由YAG晶相和玻璃相组 成，无残留金属相，密度为3.8g/cm³，Ce:YAG玻璃陶瓷中的YAG晶相的体 积百分含量为30%，Ce:YAG玻璃陶瓷的激发峰和发射峰分别为470nm和 535nm。

实施例4

将NiO、Al、Y₂O₃、SiO₂、B₂O₃、CeF₃原料按表4所示配比混合均匀并 压坯，得到相对密度为40%的铝热剂预制块，将得到的铝热剂预制块装入石 墨坩埚中，并置于超重力设备中；然后在真空度为10Pa，离心力为5000g的 超重力场中，利用通电钨螺旋丝发热诱发铝热剂预制块中的各种原料之间发 生高温铝热反应，铝热反应的产物玻璃陶瓷熔体与金属熔体在超重力场中实 现快速分离、致密化和冷却，得到玻璃陶瓷固体和金属固体，其中玻璃陶瓷 固体为玻璃陶瓷熔体在冷却过程中自发结晶得到的Ce:YAG玻璃陶瓷。

表4

组分 NiO Al Y₂O₃SiO₂B₂O₃CeF₃摩尔含量（mol%） 40.5 27 8.1 20.5 3.2 0.7

对得到的Ce:YAG玻璃陶瓷进行XRD（如图1所示）、SEM（如图2所示） 分析和光谱性质、密度测试，得到的结果如下：Ce:YAG玻璃陶瓷由YAG晶 相和玻璃相组成，无残留金属相，密度为4.10g/cm³，Ce:YAG玻璃陶瓷中的 YAG晶相的体积百分含量为60%，Ce:YAG玻璃陶瓷的激发峰和发射峰分别 为470nm和535nm。

实施例5

将NiO、Al、Y₂O₃、SiO₂、B₂O₃、CeF₃原料按表5所示配比混合均匀并 压坯，得到相对密度为50%的铝热剂预制块，将得到的铝热剂预制块装入石 墨坩埚中，并置于超重力设备中；然后在真空度为200Pa，离心力为2000g的 超重力场中，利用通电钨螺旋丝发热诱发铝热剂预制块中的各种原料之间发 生高温铝热反应，铝热反应的产物玻璃陶瓷熔体与金属熔体在超重力场中实 现快速分离、致密化和冷却，得到玻璃陶瓷固体和金属固体，其中玻璃陶瓷 固体为玻璃陶瓷熔体在冷却过程中自发结晶得到的Ce:YAG玻璃陶瓷。

表5

组分 NiO Al Y₂O₃SiO₂B₂O₃CeF₃摩尔含量（mol%） 45 30 9 13 2.5 0.5

对得到的Ce:YAG玻璃陶瓷进行XRD、SEM分析和光谱性质（如图3所 示）、密度测试，得到的结果如下：Ce:YAG玻璃陶瓷由YAG晶相和玻璃相组 成，无残留金属相，密度为3.93g/cm³，Ce:YAG玻璃陶瓷中的YAG晶相的体 积百分含量为43%，Ce:YAG玻璃陶瓷的激发峰和发射峰分别为470nm和 535nm。

实施例6

将NiO、Al、Y₂O₃、SiO₂、B₂O₃、CeF₃原料按表6所示配比混合均匀并 压坯，得到相对密度为60%的铝热剂预制块，将得到的铝热剂预制块装入石 墨坩埚中，并置于超重力设备中；然后在真空度为1000Pa，离心力为500g的 超重力场中，利用通电钨螺旋丝发热诱发铝热剂预制块中的各种原料之间发 生高温铝热反应，铝热反应的产物玻璃陶瓷熔体与金属熔体在超重力场中实 现快速分离、致密化和冷却，得到玻璃陶瓷固体和金属固体，其中玻璃陶瓷 固体为玻璃陶瓷熔体在冷却过程中自发结晶得到的Ce:YAG玻璃陶瓷。

表6

组分 NiO Al Y₂O₃SiO₂B₂O₃CeF₃摩尔含量（mol%） 40.5 27 8.1 20.5 3.2 0.7

对得到的Ce:YAG玻璃陶瓷进行XRD、SEM分析和光谱性质（如图3所 示）、密度测试，得到的结果如下：Ce:YAG玻璃陶瓷由YAG晶相和玻璃相组 成，无残留金属相，密度为3.8g/cm³，Ce:YAG玻璃陶瓷中的YAG晶相的体 积百分含量为30%，Ce:YAG玻璃陶瓷的激发峰和发射峰分别为470nm和 535nm。