Adv. Funct. Mater.: 冷烧结制备高透明氟化钙纳米陶瓷用于高功率LED照明

一、 导读

陶瓷基荧光转换材料因其优异的热稳定性（高热导率）和卓越的光学性能（高的量子效率和光提取效率），能有效解决目前通用的树脂封装LED的老化、色漂移、蓝光溢出等问题，目前已经成为应用潜力巨大的大功率LED及激光照明用的光转换材料之一。然而目前在商业生产中，极高的烧结制备温度不仅限制了透明陶瓷封装荧光粉的种类，带来极大等能源消耗，而且高温热处理会损害荧光粉本身的发光效率，导致其组装得到的LED器件发光效率低，相关色温不高等不足。然而目前的研究主要集中在YAG：Ce³⁺黄色荧光粉为代表的荧光陶瓷中，由于该体系缺少红光成分，导致器件的显色指数偏低（一般小于65）。为了实现高光品质的LED照明（高光效，高显指），引入热稳定性较差的红色商用荧光粉CASN：Eu²⁺以增加红光成分成为了一种有效的解决方案，因此采用低温烧结技术制备透明陶瓷基体，致力于降低能耗并且同时用于封装多种类型的荧光材料已经成为商用荧光陶瓷的共同追求。

二、成果掠影

近日，东华大学江莞教授团队范宇驰研究员联合华南理工大学夏志国教授采用冷烧结技术在350℃的条件下成功的制备了用于高功率照明的氟化钙基荧光陶瓷。实验和理论结合表明采用具有外层富氧结构的氟化钙纳米粉体，在盐酸介质的作用下更有利于溶解沉淀过程的实现，更加有效的促进陶瓷粉体低温致密化过程。与YAG：Ce³⁺和CASN：Eu²⁺商业荧光粉复合后得到的荧光陶瓷的发光效率最高可以达到190 lm/W,显色指数最高达到92，且色温低于3000 K，这样的发现在荧光陶瓷中是极其少见的。相关研究成果以 “Cold Sintering of Highly Transparent Calcium Fluoride Nanoceramic as a Universal Platform for High-Power Lighting” 为题发表在国际知名期刊Adv. Funct. Mater.上。

三、核心创新点

利用冷烧结的技术在350 ℃的条件下实现了透明纳米晶氟化钙陶瓷基体的制备，且在可见光的范围内最高透过率可达75 %。基于立方晶系的光学各向同性，封装YAG：Ce³⁺的荧光陶瓷光效最高可达190 lm/W。成功引入了CASN:Eu²⁺商业荧光粉，烧结后可保留原始粉末90%的量子效率，实现了荧光陶瓷的显色指数的可调性，最高可达92。

四、数据概览

图1氟化钙纳米粉体及氟化钙透明陶瓷的表征。(a) 掺杂镱的氟化钙的纳米粉体的微观形貌；(b) 掺杂镱氟化钙和未掺杂镱的氟化钙的粉体尺寸对比；(c) 掺镱氟化钙的纳米粉体的元素分布；(d) CaF₂-HCl透明陶瓷的微观结构；(e) CaF₂-HCl透明陶瓷的透过率；(f) CaF₂-HCl透明陶瓷在自然光下的数码照片。

图2 氟化钙陶瓷的冷烧结致密化过程研究。(a) 盐酸作用下的氟化钙纳米粉体的溶解沉淀及致密化过程示意图；(b) 氟化钙陶瓷烧结过程中的电化学阻抗谱图； (c) 氟化钙纳米粉体烧结过程中的活化能；(d-g) 氟化钙陶瓷烧结过程的XPS研究。

图3 氟化钙荧光陶瓷的微观结构分析。(a) 氟化钙基荧光陶瓷的XRD研究；(b) 不同的氟化钙基荧光陶瓷的数码照片；(c) 封装后荧光粉的量子效率；(d-g) 荧光粉在陶瓷基体中的分布；(h) 红色荧光粉和氟化钙基体之间的界面。

图4 氟化钙基荧光陶瓷的光学性能及热稳定性。(a) 氟化钙荧光陶瓷中的光线传播路径示意图；(b) 不同氟化钙荧光陶瓷的色坐标图；(c) 不同氟化钙荧光陶瓷的PL光谱图；(d) 氟化钙荧光陶瓷和树脂基封装荧光粉块体的热传导对比；(e) 氟化钙荧光陶瓷的综合性能对比图；(f) 氟化钙荧光陶瓷的变温荧光。

五、成果启示

综上，研究人员开发了一种简单，低能耗的氟化钙基荧光陶瓷的制备工艺，用于实现商业的大功率LED照明应用。实验和理论研究表明，采用外层富氧结构的氟化钙纳米粉体，在盐酸的作用下通过冷烧结技术的应用可以实现在350 ℃的条件下实现透明陶瓷的制备，其在可见光的范围内最高的透过率可达75 %。基于低温烧结的显著优势，成功的制备了不同种类的氟化钙基荧光陶瓷。基于立方晶系的光学各向同性，封装YAG：Ce³⁺的荧光陶瓷光效最高可达190 lm/W。并且顺利引入了CASN:Eu²⁺商业荧光粉，烧结后可保留原始粉末90 %的量子效率，实现了荧光陶瓷的显色指数的可调性，最高可达92。该项成果为高功率LED照明器件的设计提供了一种新的思路和途径。

本文由作者供稿