3D打印用纳米稀土铝酸盐发光材料的可控制备及其应用研究

This project responds to the strategic needs of Nation and Guangdong Provience on rare-earth luminescence and 3D Printing. With investigating of the novel application of rare-earth luminescence materials development and the forefront of 3D printing technology, we combine our academic nbsp;accumulation nbsp;on the design and controlled preparation of nano rare earth luminescent materials, the energy transfer between rare earth ions and the application in LED device, this project will carry out nanoscale rare earth aluminate luminescent materials which suitable for 3D printing, and promote the multi-function of 3D printing materials.. Conventional bulk luminescent materials with irregular morphology and large size (3-20μm) are easily to precipitate in organic phase and cannot be directly used in 3D printing field. However, the preparation process of nano-upconversion luminescent materials is complex, meanwhile it is difficult for laser light source to be used for the whole display. In order to overcome the above problems, this project intends to design and prepare nano-sized rare earth aluminate luminescent materials with uniform morphology by sol-gel method, distribute them evenly in optically transparent printing materials, and use fused deposition modeling (FDM) and stereo lithography apparatus (SLA) technologies for 3D printing. The luminescence properties and energy transfer of this novel nanoscale structured material with new components are studied, so that it can emit light under excitation of near-ultraviolet LED chips and the light color can be adjusted. The new applications of rare earth luminescent materials are explored.

本项目面向国家和广东省稀土发光和3D打印战略性新兴产业发展的需求，在充分调研稀土发光材料应用发展以及3D打印前沿技术基础上，结合本人及课题组前期在纳米稀土发光材料的设计和可控制备、稀土离子间能量传递研究以及LED器件中应用的学术积累，针对3D打印技术发展需求，本项目拟开发出适用于3D打印的稀土纳米发光材料，促进打印材料多功能化。.传统粉体发光材料形貌不规则、尺寸较大（3-20μm），在有机相中易沉降，不能直接应用于3D打印；而纳米上转换发光材料制备过程复杂，激光难以用于整体显示。为克服以上问题，本项目拟采用溶胶-凝胶法设计制备出形貌均匀的纳米铝酸盐稀土发光材料，将它们均匀地分散在光学透明的打印材料中，采用熔融沉积（FDM）和立体平板印刷（SLA）技术进行3D打印。研究这种具有新组成、新颖纳米结构材料的发光性质以能量传递，使其在近紫外LED芯片激发下发光并且光色可调，开拓稀土发光材料新应用。

发光二极管（LED）照明产品在新型海洋诱鱼灯和航标灯中具有节能降耗、应用灵活、安全可靠等优点，具有广阔的应用前景。稀土荧光粉是荧光转换型LED的核心材料，决定了LED的发光性能。3D打印技术适用于定制化快速制备器件，可以与稀土荧光粉相结合，应用于LED诱鱼灯和航标灯制造领域。但受限于3D打印材料光透性、荧光粉性能和打印技术等诸多因素，相关研究领域还存在很大的空间和挑战。. 基于此，本项目采用溶胶-凝胶法制备了Ce3+、Tb3+共掺杂CaYAlO4荧光粉，并对其发光性能进行了系统的研究。该研究体系克服了纳米材料难于大量制备、粉体材料在有机物中分布不均匀的缺点，并且兼顾了基体材料高光透过率的性质。由于Ce3+的偶极和自旋允许跃迁以及从Ce3+到Tb3+高达92.5%的能量传递效率，CaYAlO4:Ce3+,Tb3+荧光粉在380nmLED芯片的激发下能发出人眼和水生生物敏感的强绿色发光。聚二甲基硅氧烷（PDMS）在可见光谱区域具有92％的透射率，是制作彩色荧光工艺品的优秀基体材料。将该荧光粉与PDMS结合起来，通过3D打印技术（聚乳酸，PLA）和模板制作法制备了LED芯片激发的亮绿色仿生模型，从而开发了一种具有前景的可应用于LED诱鱼灯和航标灯的技术。.依托本项目，我们还开展了一些新型稀土铝酸盐荧光材料的制备及应用研究工作，通过能量传递进行了光谱调控获得了性能优异的暖白光LED、利用稀土铝酸盐发光材料制备荧光电泳粒子，成功获得了一款双模彩色电泳显示原型器。此外，还对荧光材料的发光机理、缺陷、防水性能提升以及荧光探针等内容开展了研究工作，为今后高效稀土发光材料的设计制备、性能提升以及在海洋照明领域的应用研究奠定了一定的基础。