钇铝石榴石粉体的低温合成及YAG透明陶瓷的快速制备

发布时间：2017-08-03 19:12

  本文关键词：钇铝石榴石粉体的低温合成及YAG透明陶瓷的快速制备

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【摘要】：自从其诞生以来,白光发光二极管(简称白光LEDs)凭借其高亮度、长寿命、低电压和高功效等优异的性能,被认为是能够代替白炽灯和荧光灯成为未来最有前景的照明光源。传统上,白光LEDs通过将铈掺杂钇铝石榴石(Ce:YAG)黄色荧光粉与环氧树脂或硅胶混合均匀后涂覆在蓝光激发芯片上而制成的。然而,随着白光LEDs向大功率通用照明发展,树脂或硅胶封装的荧光粉型的光转换模式已不再适用。这主要是因为LED在长时间、大功率下使用会释放大量的热,高温下荧光粉的发光强度会发生衰减,环氧树脂和硅胶在持续的高温度下也会不断老化,最后致使LED器件劣化而影响使用。为了应对上述这些问题,近年来出现了以荧光块体材料,如单晶,陶瓷和玻璃等,代替荧光粉体的解决方案。其中,钇铝石榴石(Y3Al5O12, YAG)透明陶瓷是一种在力学、热学和光学性能上都展现出巨大优势的候选材料。与单晶相比,透明陶瓷的制备成本更低,且制备不受尺寸的限制,易于实现形状设计,实现Ce3+离子高浓度均匀掺杂。与玻璃相比,透明陶瓷在光功能、力学性能和热性能方面具有优势。而且,通过对制备工艺的调控,透明陶瓷的光散射可以被自由的控制,实现蓝光和黄光的成比例混合。基于以上这些优势,在最近的20年来,透明YAG基陶瓷材料受到了越来越多的重视。然而,YAG透明陶瓷的制备过程还是比较复杂,需要通过化学法合成粉体以及长时间的真空烧结,这些增加了YAG透明陶瓷在LED领域的应用难度。新型粉体合成工艺与陶瓷烧结技术的出现将有利于降低YAG透明陶瓷的制备成本。本课题采用低温熔盐合成法制备了球形度较高的Ce:YAG粉体,并利用真空无压烧结与放电等离子烧结技术(SPS)对熔盐法YAG粉体进行了致密化烧结探索。系统地研究并优化了粉体的合成工艺,讨论了合成温度、熔盐用量对产物的物相组成和粒度分布的影响；随后在不同的退火条件下,探讨了退火气氛对荧光粉发光强度的影响以及退火后荧光粉体的发光热稳定性：表征了在不同烧结温度下烧结体的显微结构。结果表明：采用亚硝酸盐(NaNO2-KNO2)为熔盐,硝酸盐为原料,合成温度为350℃、熔盐用量与反应物质量比为2：1,可以得到单相的Ce:YAG球形粉体,粒度分布在200～300 nm；经过不同气氛下1200℃的煅烧,球形Ce:YAG粉体的荧光强度进一步提高,在氮气下煅烧可以最大程度地提高粉体的荧光强度,且煅烧后的粉体235℃下荧光强度为室温时的66.39%,具有较好的热淬灭性能。以熔盐法粉体为原料经真空烧结后的显微结构结果显示,以熔盐法粉体烧结得到的陶瓷内部气孔率较高,大多为大尺寸晶粒内气孔,陶瓷体本身不透明,而SPS烧结后样品的显微结构表明,以熔盐法粉体为原料经烧结后得到的陶瓷体内部易出现个别晶粒异常长大,烧结活性较差,经不同温度烧结后仍无法得到较高的致密度,究其原因在于熔盐法粉体颗粒为空心球结构,经高温烧结时,内部气孔难以完全去除。除此之外,本课题还首次以商业高纯氧化铝和氧化钇粉体为原料,结合放电等离子烧结技术(SPS),通过固相反应在1400℃保温3min的条件下成功制备了具有良好透明度的YAG陶瓷。结果表明,所用的商业氧化铝和氧化钇粉体的最优水基分散与稳定条件为pH=10～11,分散剂聚丙烯酸(PAA)用量和柠檬酸的用量分别为1wt%和0.6wt%。在此分散条件下,氧化铝粉体能够被充分分散达到一次粒径,而团聚程度更严重的氧化钇粉体需要进一步球磨解聚,最佳的球磨时间为6小时。在球磨的过程中,柠檬酸作为表面修饰剂,无法进一步减小混合粉体的粒度,但可以有效阻止氧化钇粉体的水化反应,提高混合粉体浆料的均匀性与稳定性。在混合粉体的SPS烧结中,确定合适的烧结温度范围在1250℃～1500℃。在不同温度下烧结得到的样品致密度都相对较低,其主要原因一方面是烧结体内部存在大量气孔,另一方面是未完全反应氧化铝和氧化钇等杂相的存在。添加0.5 wt%的正硅酸乙酯(TEOS)明显减少了烧结体内的大气孔,在经1400℃保温3min后可以得到透光的陶瓷样品。使用未经柠檬酸处理的粉体得到的陶瓷样品内部仍然存在少量氧化铝残留,显微结构的出现明显不均匀,在1200℃空气中退火后,烧结样品为乳白色。使用柠檬酸处理的粉体得到的陶瓷样品内部显微结构均匀,晶粒完整规则,排列紧密,晶粒间无第二相存在。
【关键词】：钇铝石榴石 熔盐法 透明陶瓷 放电等离子烧结 固相反应
【学位授予单位】：上海应用技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ174.1
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-28
• 1.1 课题背景12-13
• 1.2 钇铝石榴石13-15
• 1.2.1 钇铝石榴石的晶体结构13-14
• 1.2.2 钇铝石榴石的性质14-15
• 1.3 钇铝石榴石陶瓷透明的理论基础与影响因素15-17
• 1.3.1 陶瓷透明的理论基础15-16
• 1.3.2 YAG陶瓷透明的影响因素16-17
• 1.4 钇铝石榴石粉体的合成方法17-22
• 1.4.1 固相反应法17-19
• 1.4.2 溶胶-凝胶法19
• 1.4.3 沉淀法19-20
• 1.4.4 水热法20
• 1.4.5 熔盐合成法20-22
• 1.5 YAG透明陶瓷的粉体成型工艺22-23
• 1.5.1 干压成型22-23
• 1.5.2 冷等静压成型23
• 1.6 YAG透明陶瓷的烧结技术23-26
• 1.6.1 真空烧结24
• 1.6.2 热等静压烧结24
• 1.6.3 放电等离子烧结24-26
• 1.7 课题的研究目的、意义与内容26-28
• 1.7.1 研究目的与意义26
• 1.7.2 研究内容26-28
• 第2章 Ce：YAG粉体和透明陶瓷制备的实验原料和表征方法28-32
• 2.1 引言28
• 2.2 实验原料28
• 2.3 实验仪器和设备28-30
• 2.3.1 粉体制备仪器28-29
• 2.3.2 成型设备29
• 2.3.3 透明陶瓷烧结设备29-30
• 2.3.4 后续加工设备30
• 2.4 性能测试及表征手段30-32
• 2.4.1 X射线衍射仪30
• 2.4.2 扫描电子显微镜30
• 2.4.3 激光粒度与表面电位分析仪30
• 2.4.4 密度测定30-31
• 2.4.5 光学透过率测定31
• 2.4.6 荧光光谱31-32
• 第3章 低温熔盐法合成Ce：YAG粉体及其性能表征32-42
• 3.1 引言32
• 3.2 实验过程32-33
• 3.3 实验结果与讨论33-41
• 3.3.1 合成温度对YAG成相的影响33-34
• 3.3.2 熔盐用量对YAG成相的影响34-35
• 3.3.3 合成温度与熔盐用量对Ce：YAG荧光粉粒度与粒度分布的影响35-37
• 3.3.4 Ce：YAG的荧光粉体的最佳合成条件37-38
• 3.3.5 不同退火条件对熔盐法所得Ce：YAG粉体形貌与荧光性能的影响38-40
• 3.3.6 熔盐法Ce：YAG荧光粉退火后的热淬灭性能研究40-41
• 3.4 本章小结41-42
• 第4章 熔盐法制备的Ce：YAG粉体的致密化烧结探索42-50
• 4.1 引言42
• 4.2 实验过程42-44
• 4.2.1 Ce：YAG粉体的分散与成型42
• 4.2.2 Ce：YAG坯体的致密化烧结42-44
• 4.3 实验结果与讨论44-49
• 4.3.1 熔盐法YAG粉体的分散44
• 4.3.2 熔盐法粉体的真空烧结致密化44-45
• 4.3.3 熔盐法粉体的SPS烧结致密化45-47
• 4.3.4 熔盐法合成YAG粉体颗粒结构47-49
• 4.4 本章小结49-50
• 第5章 氧化铝与氧化钇粉体的分散性调控及其性能表征50-58
• 5.1 引言50-51
• 5.2 实验过程51
• 5.3 实验结果与讨论51-57
• 5.3.1 氧化铝与氧化钇原料性能的表征51-52
• 5.3.2 氧化铝与氧化钇粉体在氨水水溶液中的分散52-55
• 5.3.3 氧化铝和氧化钇氨水水溶液分散体系的稳定性55-56
• 5.3.4 氧化钇粉体的球磨解聚56-57
• 5.4 本章小结57-58
• 第6章 放电等离子反应烧结制备YAG透明陶瓷58-65
• 6.1 引言58
• 6.2 实验过程58
• 6.3 实验结果与讨论58-64
• 6.3.1 确定烧结温度范围58-59
• 6.3.2 烧结温度对烧结体密度的影响59-60
• 6.3.3 烧结温度对显微结构的影响60-62
• 6.3.4 TEOS对烧结体显微结构的影响62-64
• 6.4 本章小结64-65
• 第7章 柠檬酸在SPS反应烧结制备YAG透明陶瓷中的作用65-73
• 7.1 引言65
• 7.2 实验过程65
• 7.3 实验结果与讨论65-72
• 7.3.1 柠檬酸的加入对氧化钇粒径的影响65-66
• 7.3.2 柠檬酸的加入对物相的影响66-67
• 7.3.3 柠檬酸的加入对显微结构的影响67-69
• 7.3.4 柠檬酸和退火条件对YAG陶瓷透光性的影响69-72
• 7.4 本章小结72-73
• 第8章 结论73-75
• 参考文献75-82
• 致谢82-83
• 攻读硕士学位期间发表论文情况83

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