[发明专利]一种石墨烯改性的绿光透明陶瓷材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种石墨烯改性的绿光透明陶瓷材料及其制备方法和应用，属于LED照明荧光陶瓷领域。该绿光透明陶瓷的化学组成为石墨烯‑Ysubgt;3‑x‑y/subgt;Alsubgt;5/subgt;Osubgt;12/subgt;:xCesupgt;3+/supgt;,yLusupgt;3+/supgt;，其中0.0001≤x≤0.1，0.01≤y≤2.9；以绿色荧光陶瓷材料的总重量计，石墨烯的质量百分数小于0.5wt％但不为0。其具有热导率高、散热性好、发光波长在490～540nm范围内可控等特点，适用作LED的封装材料。

技术领域

本发明属于LED用透明荧光材料领域，具体涉及一种石墨烯改性的绿光透明陶瓷材料及其制备方法和应用。

背景技术

LED具有光效高、节能环保、寿命长等优异性能，被广泛应用于户外照明、场馆照明、室内照明等领域。传统LED光源是将Y₃Al₅O₁₂:Ce(YAG:Ce)荧光粉封装在环氧树脂或硅胶中，这些有机封装材料散热性差，LED芯片工作过程中热量不易散发，导致光源温度上升，长时间工作造成有机封装材料老化分解，出现光衰、色偏移及工作寿命降低等问题。

YAG:Ce荧光透明陶瓷具有更高的热导率和热稳定性，用作LED封装材料有效解决了有机封装材料因散热性差引起的光衰、色偏移、寿命降低等问题。YAG:Ce荧光陶瓷作为光转换材料时，其封装的LED与YAG:Ce荧光粉封装的LED都为白光LED，无法满足特殊场合的照明需要。绿光LED的主要应用包括：1)用于深海诱捕鱼，相比于金属卤化物/传统封装的LED绿光集鱼灯，发光效率更高，散热性更好；2)绿光LED搭配红色荧光材料可实现全光谱照明，提高显色性和发光品质；3)绿光LED在水下可见光通信技术、蔬菜种植、禽类种蛋孵化等领域皆有广阔应用前景。如今大功率LED特殊照明等高端照明市场方兴未艾，对荧光陶瓷的发光波段、散热性等提出更高要求，需要进一步提高LED用绿光透明陶瓷的发光品质和热导率，使其满足大功率LED的封装需求。

Lu₃Al₅O₁₂:Ce(LuAG:Ce)是一种性能优异的绿光透明陶瓷，不仅可以被蓝光有效激发，而且热稳定性优异。据文献报道(Xu,J.,et al.,Journal of the European CeramicSociety,38(1),343-347)，LuAG:Ce荧光陶瓷封装的LED在220℃时的发光强度仅下降了4.1％；连续运行了1000h后，发光强度仅下降了1.9％。专利文献CN201510234002.1虽然公开了一种LuAG:Ce绿色荧光陶瓷，但是镥Lu价格昂贵，LuAG:Ce陶瓷的生产成本较高，大大限制了其应用范围。石墨烯是一种性能优异的二维材料，具有高透过率和高热导率(3500Wm^-1K^-1)。许多研究表明，将石墨烯引入到TiC、Al₂O₃、AlN、SiO₂、Si₃N₄、SiC等陶瓷基体中，其力学性能、热性能、电学性能等方面均取得了显著的效果。如在SiC基体中引入2wt％的石墨烯，可将热导率由114Wm^-1K^-1提升到145Wm^-1K^-1。引入石墨烯会阻碍陶瓷基体的烧结致密化，因此通常采用热压烧结、放电等离子烧结、高频感应加热烧结等设备要求高的烧结方法以制备石墨烯-陶瓷复合材料。真空烧结方法比上述几种方法易制备大尺寸复杂形状陶瓷制品，同时提供额外驱动力以消除气孔、促进制品致密化。真空烧结方法制备YAG:Ce/LuAG:Ce荧光陶瓷，需要在空气中退火以消除氧空位缺陷，而石墨烯在空气中退火易氧化分解，因此采用真空烧结方法制备石墨烯改性致密化荧光陶瓷复合材料是一项极具挑战性的工作。

发明内容