光功能陶瓷/玻璃陶瓷材料的低温制备新技术基础研究

This project aims to develop a novel technique to prepare optical functional ceramic/glass-ceramic material at low temperature. Firstly, a new fabricating method based on the two kinds of non-equilibrium state powders, that is mesoporous ceramic powder and amorphous ceramic powder, will be established and studied; then the unique advantage of non-equilibrium state ceramic powder which owns high energy will be utilized to realize densification and crystallization of amorphous phase at low temperature; moreover, the relation among densification process, material structure and performance will be ascertained, the crystallization mechanism and the differences in densification mechanisms between the new technology and high temperature induced atomic diffusion phenomenon will be clarified, in order to realize the integration and optimization of properties for optical functional glass-ceramic material; on the above basis, Re-YAS ceramic/glass-ceramic with high heat conductivity and broad optical spectrum which will be prepared and developed for the application in high-power LED equipment.. Benefiting from this project, low temperature preparation technique based on high energy powder and new densification mechanism will be built to advance ceramic preparing technology of China and play a leading role in the researching area of novel optical ceramic worldwide..

本项目旨在研究并建立一种针对光功能陶瓷/玻璃陶瓷材料的低温制备新技术。首先研究并建立针对两类非平衡态陶瓷粉体，即介孔陶瓷粉体和非晶态陶瓷粉体的制备新技术；进而利用非平衡态陶瓷粉体具有高能量状态的独特优势，实现其低温烧结致密化和非晶晶化；掌握低温烧结致密化工艺-材料结构-性能关系规律，弄清该新工艺不同于高温原子扩散致密化机制的新原理以及非晶晶化机制，实现对光功能玻璃陶瓷材料的性能集成和优化；在此基础上，以大功率LED用高热导、宽光谱的Re-YAS陶瓷/玻璃陶瓷材料为代表，实现其应用验证。. 通过本课题研究，建立基于高能态粉体及新型致密化原理的材料低温制备技术，提升我国陶瓷材料制备技术的整体水平，使我国在新型光功能陶瓷材料研究领域起到国际引领作用。

纳米晶陶瓷相对于以微米级粗大晶粒为特征的致密陶瓷而言，力、光、电、热等功能都会表现出数量级式的大幅度提升，然而“陶瓷的烧结致密化以牺牲晶粒尺寸为代价”这一问题，长期以来一直是对陶瓷材料烧结制备技术的一个挑战。通过本项目的实施，最终建立了一种针对光功能陶瓷/玻璃陶瓷材料的低温制备新技术和相关烧结模型，通过粉体组成、微结构和功能基元的集成设计，确立了动力学窗口调控的低温烧结工艺，揭示了非晶粉体的烧结致密化机理和非晶晶化机理，实现了光功能陶瓷/玻璃陶瓷性能的显著提高。项目组采用化学合成、火焰喷淬和激光悬浮熔融等技术，合成了SBA-15、FDU-12、MCM-41、MSNs、Y2O3、Al2O3、YAG、Y2O3-Al2O3、Sr3Al2O6-SrAl2O4等多体系非晶粉体；系统研究了上述粉体的烧结致密化过程，给出了致密化温度窗口，大幅度降低了烧结温度，提出了介孔粉体孔道坍塌形成新表面促进烧结机理、非晶粉体的粘性流动和塑性流动烧结致密化机理；开展了非晶-晶化过程研究，发现了烧结-晶化温度窗口，通过晶化处理得到透明纳米晶陶瓷；开展了光功能玻璃/陶瓷材料的功能化研究，成功制备了稀土离子掺杂玻璃、纳米晶复合玻璃、荧光粉复合玻璃、氧化钇基发光陶瓷、羟基磷灰石基发光陶瓷等等；组装了以荧光玻璃/陶瓷为光转换材料的LED发光器件，通过调控光功能玻璃/陶瓷中发光基元的种类、浓度、比例等提高LED光效、显色指数等性能指标，组装得到高性能大功率LEDs器件光效达到了120 lm/W以上、显色指数达到85以上、相对量子产率在90%以上，实现满足室内照明要求的大功率LED器件的制备。在本项目的资助下，相关成果在陶瓷材料领域权威期刊发表SCI论文60篇，申请发明专利7项，其中3项已授权。通过本项目研究，建立了基于高能态粉体及新型致密化原理的材料低温制备技术，有助于提升我国陶瓷材料制备技术的整体水平，使我国在新型光功能陶瓷材料研究领域起到国际引领作用。