一种基于3D打印复合结构荧光陶瓷的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于3D打印复合结构荧光陶瓷的制备方法，包括：（1）将Al2O3粉体、YAG粉体、Ce:YAG粉体分别和分散剂以及水混合，再分别加入纤维素类增稠剂后，在恒温恒湿环境中进行密封陈化1～3小时，得到Al2O3浆料、YAG浆料和Ce:YAG浆料；（2）将Al2O3浆料、YAG浆料和Ce:YAG浆料分别装在不同针筒中，根据结构设计，利用多针筒切换程序和组件，通过3D打印直书写成型，制备得到陶瓷素坯；（3）将所得陶瓷素坯进行脱脂、真空烧结和退火，得到所述复合结构荧光陶瓷。陶瓷。陶瓷。

【技术实现步骤摘要】
一种基于3D打印复合结构荧光陶瓷的制备方法


[0001]本专利技术涉及一种复合结构荧光陶瓷的制备方法，属于复合结构荧光陶瓷制备领域。

技术介绍

[0002]与传统的照明方式相比，LED照明具有寿命长、能量转换效率高、无污染、无毒害、无热辐射和可高频操作等特点，在显示器、信号灯和探照灯等领域得到广泛应用。
[0003]商用白光发光二极管的主要解决方案是有机封装的荧光转换材料。一个或多个InGaN蓝色LED芯片通过硅胶与黄色荧光粉粉末结合以输出白光。随着芯片集成技术的不断进步，蓝光功率的不断增大，荧光材料吸收的能量也越来越多，这对光转换材料的耐热性提出了更高的要求。
[0004]目前LED照明用荧光材料主要可以分为玻璃、单晶、薄膜和陶瓷。荧光玻璃制造工艺简单、光学性能优异，但玻璃的热导率较低，同时制备过程中玻璃基质容易与荧光材料发生反应破坏荧光材料的发光性能。与荧光玻璃相比，荧光薄膜的热导率得到一定程度的提升，但是薄膜和基体之间的结合界面存在缺陷影响其在LED照明中的应用。荧光单晶具有内量子转换效率较高和热学性能优异的特点，但荧光单晶内部缺少散射中心，导致光提取率较低。与其他荧光材料相比，荧光陶瓷具有热学性能优异、机械性能良好和化学稳定性高等特点，同时，兼具微观结构可调和制备工艺简单等优点，其在LED照明领域具有潜在的应用前景。
[0005]通常，小尺寸荧光陶瓷片可直接通过与之贴合的芯片进行散热，但在高功率密度条件下导热效率低，容易达到热猝灭温度。为了实现高亮度照明，必须打破荧光粉材料(即颜色转换器)在高功率密度激发下的热致亮度饱和的问题。一种新的技术方案，即通过多种陶瓷之间的组合，可以提高陶瓷的散热和发光。
[0006]一种方式是通过干法逐层铺粉压制多层不同材料的荧光陶瓷(J.Eur.Ceram.Soc.，2016，10(36)：2587
‑
2591；CN112624752A)。首先在模具中铺放一种粉体，之后采用极低的压力压平，然后依次铺放粉体进行压平，最后通过较大的压力以及冷等静压实现素坯的制备。这种方法的缺点包括：1)不同组分的厚度难以控制；2)随着铺放次数的增多，干压后的坯体强度降低，这来源于平整表面较差的结合强度；3)只能制备简单形状的素坯。另一种方式是通过将流延成型制备的胶带堆叠并层压得到多层多组分的复合结构陶瓷(J.Alloys Compd.，2017，30(709)：267
‑
271；CN111018512A)。用于流延成型的陶瓷浆料中有机物含量较高，素坯在脱脂时容易变形和开裂，并且有机物挥发后会留下较多的气孔，这不利于后续的致密化过程。此外，流延成型也只能用于简单形状坯体的制备。

技术实现思路

[0007]针对现有技术在制备复合结构荧光陶瓷存在的诸多问题，特别是界面结合强度低、组分种类受限和结构简单等问题，本专利技术提供了一种基于3D打印复合结构荧光陶瓷(或
称直书写成型制备复合结构荧光陶瓷)的制备方法，包括：(1)将Al2O3粉体、YAG粉体、Ce:YAG粉体分别和分散剂以及水混合，再分别加入纤维素类增稠剂后，在恒温恒湿环境中进行密封陈化1～3小时，得到Al2O3浆料、YAG浆料和Ce:YAG浆料；(2)将Al2O3浆料、YAG浆料和Ce:YAG浆料分别装在不同针筒中，根据结构设计，利用多针筒切换程序和组件，通过3D打印直书写成型，制备得到陶瓷素坯；所述陶瓷素坯选自Al2O3‑
Ce:YAG复合结构荧光陶瓷素坯、YAG
‑
Ce:YAG复合结构荧光陶瓷素坯或Al2O3‑
YAG
‑
Ce:YAG复合结构荧光陶瓷素坯；(3)将所得陶瓷素坯进行脱脂、真空烧结和退火，得到所述复合结构荧光陶瓷。
[0008]较佳的，所述Al2O3粉体的粒径为0.1～0.8μm；所述YAG粉体的粒径为0.1～1μm；所述Ce:YAG粉体的粒径为0.1～1μm；。
[0009]较佳的，所述分散剂为丙烯酸聚合物，优选选自聚丙烯酸、聚丙烯酸铵、聚甲基丙烯酸铵中的至少一种；所述分散剂的添加量为Al2O3粉体、YAG粉体、Ce:YAG粉体中任一种质量的0.3～0.8wt.％。
[0010]较佳的，所述纤维素类增稠剂为羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、2
‑
羟乙基甲基纤维素、2
‑
羟丙基甲基纤维素中的至少一种；所述纤维素类增稠剂的添加量为Al2O3粉体、YAG粉体、Ce:YAG粉体中任一种质量的0.4～0.6wt.％。
[0011]较佳的，所述Al2O3浆料的固含量为45～54vol.％；所述YAG浆料的固含量为45～54vol.％；所述Ce:YAG浆料的固含量为45～54vol.％
[0012]本专利技术中，根据不同的粉体选择不同的最佳分散剂含量，以制备高固含量和低粘度的陶瓷浆料。同时，控制所有浆料具有相同的固含量，以尽可能减小不同组分浆料的干燥收缩和烧结收缩差异，避免因收缩应力导致的变形和开裂。进一步地，由于直书写成型过程中浆料从针头挤出时仍具有一定的流动性，因此不同层之间的结合面积更大、结合强度更高。此外，通过改变打印过程中不同浆料层的沉积层数可以随意控制不同层的厚度。最后，直书写成型方式可以制备出形状更为复杂的复合结构荧光陶瓷。
[0013]本专利技术中，直接墨水书写(DIW)通过计算机辅助设计(CAD)所需要结构的三维模型；将三维模型导入软件规划针头打印时的运动路径；打印时高粘度浆料经喷嘴挤出并保持相应平面结构且沿Z轴方向逐层堆积获得目标结构。相比于其它增材制造方式，DIW在打印时可以通过结合多料筒或在线混合的方式，在打印的同时更改浆料的成分，可用于制备组分梯度变化结构的样品。采用该方法可以根据需要制备多种类型的复合结构荧光陶瓷，同时通过路径规划可以使发光部分具有复杂的形状。此外，不同材料层之间通过浆料堆积在一起，结合强度高。
[0014]本专利技术中，利用直书写成型制备复合结构荧光陶瓷具有以下优势。一是可以在打印过程中更换多种浆料以制备多种材料的复合结构；二是定位、定点和定量的实现组分的有序分布；三是不同材料层之间通过浆料堆积在一起，结合强度高；四是可以依靠路径规划制备复杂形状的陶瓷素坯。且目前，还没有直书写成型制备复合结构荧光陶瓷的先例。
[0015]较佳的，所述恒湿恒温环境的条件包括：温度为20～25℃，湿度为50～85％。优选地，陈化为在25℃，湿度为85％恒温恒湿箱中放置1～3小时。纤维素在浆料中通过陈化会变得更加均匀，有利于后续的打印。
[0016]较佳的，直书写成型时，通过多个针筒切换程序和组件分别打印Al2O3浆料、YAG浆料和Ce:YAG浆料，得到的Al2O3层、YAG层和Ce:YAG发光层通过浆料堆积结合，得到陶瓷素坯。
[0017]较佳的，所述多个针筒切换程序和组件中每个针筒及其打印参数包括：所述针筒的内径为15～20mm；所述针筒的挤出压力为10～20psi，所述针筒的打印速度为3～8mm/s，所述针筒的打印线本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于3D打印复合结构荧光陶瓷的制备方法，其特征在于，包括：（1）将Al2O3粉体、YAG粉体、Ce: YAG粉体分别和分散剂以及水混合，再分别加入纤维素类增稠剂后，在恒温恒湿环境中进行密封陈化1～3小时，得到Al2O3浆料、YAG浆料和Ce: YAG浆料；（2）将Al2O3浆料、YAG浆料和Ce: YAG浆料分别装在不同针筒中，根据结构设计，利用多针筒切换程序和组件，通过3D打印直书写成型，制备得到陶瓷素坯；所述陶瓷素坯选自Al2O3‑
Ce: YAG复合结构荧光陶瓷素坯、YAG
‑
Ce: YAG复合结构荧光陶瓷素坯或Al2O3‑
YAG
‑
Ce: YAG复合结构荧光陶瓷素坯；（3）将所得陶瓷素坯进行脱脂、真空烧结和退火，得到所述复合结构荧光陶瓷。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述Al2O3粉体的粒径为0.1～0.8μm；所述YAG粉体的粒径为0.1～1μm；所述Ce: YAG粉体的粒径为0.1～1μm；。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述分散剂为丙烯酸聚合物，优选选自聚丙烯酸、聚丙烯酸铵、聚甲基丙烯酸铵中的至少一种；所述分散剂的添加量为Al2O3粉体、YAG粉体、Ce: YAG粉体中任一种质量的0.3～0.8 wt.%。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述纤维素类增稠剂为羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、2
‑
羟乙基甲基纤维素、2
‑
羟丙基甲基纤维素中的至少一种；所述纤维素类增稠剂的添加量为Al2O3粉体、YAG粉体、Ce: YAG粉体中任一种质量的0.4～0.6 wt.%；所述Al2O3浆料的固含...

【专利技术属性】
技术研发人员：章健，吉浩浩，王俊平，王士维，毛小建，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：