激光照明用Al2O3基荧光陶瓷的制备及其性能研究

论文摘要

激光照明作为一种新兴的照明形式,具有准直性好、体积小和照射距离远等优点,在海底探测和飞机大灯等大功率照明器领域具有潜在应用。荧光材料的主要作用是将入射的部分激光转化为其他颜色的光从而实现白光照明,其性能的好坏直接决定了固态照明器件的优劣。由于高输入能量密度的激光会引起荧光材料的温度上升,导致其发光性能的下降,不利于获得超高流明的固态照明器。Al2O3基荧光陶瓷具有热导率高、化学稳定性好和烧结温度低等优点是激光照明用荧光材料的候选材料之一。目前关于激光照明用荧光陶瓷的研究已经受到越来越多的重视,但研究方向主要集中其在低输入能量密度时的输出流明,对材料的发光饱和性能和显色指数研究较少。本论文在组分设计的基础上利用放电等离子烧结（Spark Plasm Sinter,SPS）技术制备Al2O3基荧光陶瓷,并围绕组分含量、光线传输路径和量子效率三个方面,研究了材料的微观结构和饱和输入能量密度之间的关系;为了优化荧光陶瓷的显色指数,尝试制备了YAG:Mn/Mg红色荧光粉,并与YAG:Ce荧光粉配合使用,通过制备出两种不同结构的Al2O3基荧光陶瓷,实现了荧光陶瓷显色指数的提高。主要研究结果如下:（1）Al2O3/YAG:Ce荧光陶瓷的制备及其性能研究。材料在激光照明中的饱和输入能量密度取决于荧光材料在激光照射下的产热能力和散热能力。首先,试验考察了YAG:Ce荧光粉含量对微观结构、热学性能、光学性能和饱和输入能量密度的影响。结果表明:随着YAG:Ce含量的上升,荧光陶瓷的热导率和直线透过率出现下降。当YAG:Ce含量不高于20wt%时,材料的饱和输入能量密度为27.2W/mm2;当荧光粉含量高于20wt%时,材料的饱和输入能量密度随着荧光粉含量的上升而下降,其主要原因是陶瓷的热导率下降;其次,以Al2O3/20wt%YAG:Ce为原料,采用SPS在Ar气环境下调控烧结压力和加压时的温度制备Al2O3/YAG:Ce复相陶瓷,研究发现当烧结压力增加和加压温度下降时,Al2O3基质的晶粒尺寸逐渐变大,气孔的尺寸和数量逐渐变小,光线的传输路径逐渐变短,陶瓷的饱和输入能量密度逐渐变大。当烧结压力为80MPa,加压温度为1100°C时,陶瓷内部的光线传输路径最短,此时材料的饱和输入能量密度达到33.2W/mm2;最后,我们以Al2O3/20wt%YAG:Ce为原料,在烧结压力为80MPa,加压温度为1100°C时,制备了不同外量子效率的Al2O3/YAG:Ce陶瓷。研究发现,随着粒径的增加,材料的量子效率先上升后下降。随着量子效率的上升,陶瓷的饱和输入能量密度上升,当量子效率为0.72时,陶瓷在输入能量密度为37.2W/mm2时,没有出现发光饱和现象。（2）YAG:Mn/Mg红色荧光粉的制备。试验利用高温固相法制备荧光粉。研究探讨了温度和离子掺杂量对荧光粉的微观结构和发光性能的影响。研究表明,随着反应温度的上升和掺杂浓度的下降,荧光粉的发射峰强度逐渐上升。随着离子掺杂量的增加,基质的禁带宽度逐渐降低,增加了发光中心的热离子化的概率。当反应温度为1500°C、Mn和Mg掺杂量为0.005时,荧光粉的性能最为优异。（3）Al2O3基荧光陶瓷显色指数的优化。试验以Al2O3/YAG:Ce/YAG:Mn/Mg为原料,设计并制备了两种不同结构的荧光陶瓷:共混结构和叠层结构。研究发现,共混结构中,随着YAG:Mn/Mg含量上升,陶瓷色温由5077K下降到4866K,其显色指数由54.8上升到60.8;叠层结构中,当激光入射面不同时,材料在激光激发下的发光性能不同。与Al2O3/YAG:Ce为入射面相比,当入射面为Al2O3/YAG:Mn/Mg时,陶瓷的显色指数较高（62）,色温较低（5048K）。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘泽华

导师: 黄政仁,刘学建

关键词: 激光照明,荧光陶瓷,饱和输入能量密度,显色指数

来源: 中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,无机化工,无线电电子学

单位: 中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所)

分类号: TQ174.758.23;TN249

DOI: 10.27970/d.cnki.gksgs.2019.000055

总页数: 138

文件大小: 12181K

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