上海光機所3D打印激光照明透明陶瓷研究取得進展

來源：上海市科委

 近期，中國科學院上海光學精密機械研究所紅外光學材料研究中心在增材制造（3D打印）激光照明透明陶瓷研究方面取得進展。該工作通過數(shù)字光處理打印技術(shù)（DLP）實現(xiàn)了3D打印用于激光照明的高密度鈰活化镥鋁石榴石（LuAG:Ce）陶瓷，通過3D打印技術(shù)制造具有復雜幾何結(jié)構(gòu)的激光照明透明陶瓷，突破了傳統(tǒng)陶瓷成型工藝的限制。相關研究成果以3D Printing of LuAG:Ce Transparent Ceramics for Laser-driven Lighting為題，發(fā)表在《國際陶瓷》（Ceramics International）上。

  激光照明系統(tǒng)能夠在較高的功率密度下實現(xiàn)高輸出效率（100-1000倍于發(fā)光二極管），使得激光驅(qū)動的照明系統(tǒng)可為未來的固態(tài)照明提供優(yōu)勢，如高亮度、緊湊尺寸和定向照明。然而，傳統(tǒng)制備工藝只能制造簡單幾何形狀的方法，無法滿足具有復雜光學結(jié)構(gòu)的激光驅(qū)動固態(tài)照明器件的需求。三維打印技術(shù)可實現(xiàn)快速無模制造，所有組件均可進行數(shù)字化設計，為發(fā)光透明陶瓷制造領域帶來了重要的可能性。

  科研人員開發(fā)了用于DLP的光固化陶瓷墨水，用于制造具有高印刷分辨率的激光驅(qū)動照明鈰活化镥鋁石榴石（LuAG:Ce）發(fā)光透明陶瓷組件。用于DLP印刷的墨水，具有高達50 vol%的固含量和優(yōu)異的剪切稀化性能。研究在DLP墨水中引入了發(fā)光染料，以減少陶瓷粉末對紫外線的散射所產(chǎn)生的過量固化寬度效應。研究利用DLP三維打印方法，制造出具有可定制的厘米級復雜三維幾何形狀的LuAG:Ce陶瓷坯體。經(jīng)過燒結(jié)工藝后，3D打印陶瓷組件的相對密度達到96.4%，并展現(xiàn)出優(yōu)秀的透光率（約40%）。激光激發(fā)實驗證實，三維打印的LuAG:Ce透明陶瓷具有很高的激光通量閾值（19.22 W mm-2），這與其表面獨特的微通道結(jié)構(gòu)有關。實驗表明，具有自由幾何結(jié)構(gòu)設計和高激光通量閾值的LuAG:Ce LTCs三維打印技術(shù)的應用，為大功率激光驅(qū)動照明提供了更高效、更可靠的解決方案。

圖1.（a）DLP三維打印透明陶瓷坯體示意圖；打印的LuAG:Ce陶瓷坯體照片：（b）蜂窩、（c）最小表面、（d）超半球和（e）不同尺寸的超半球。（f）3D打印LTC的燒結(jié)過程示意圖；（g）激光照明裝置；（h）日光下放置在"SIOM"字母上的拋光后3D打印LTC；（i）透光率光譜；（j）封裝在LD照明芯片中的燒結(jié)超半球3D打印LTC。

圖2.（a）測試固化厚度和固化寬度的實驗示意圖；（b）陶瓷粉末的SEM圖像和粒度分布（插圖）；（c）固含量為50Vol.%的可打印陶瓷的流變行為；（d）不同濃度甲基橙油墨的固化深度與紫外線輻射劑量的關系；（e）不同濃度甲基橙油墨的固化寬度與紫外線輻射劑量的關系，下面的照片對應的是不同濃度甲基橙油墨的固化情況；（f）三維打印綠色體層結(jié)構(gòu)。

圖3.（a）印刷體在100°C下干燥、（b）1200°C下預燒結(jié)、（c）1800°C下真空燒結(jié)和（d）真空燒結(jié)后橫截面熱處理過程中的微觀結(jié)構(gòu)演變。（e）經(jīng)過拋光和元素圖譜繪制后的熱蝕刻透明陶瓷表面。

圖4.LuAG:Ce陶瓷的激光照明性能和封裝應用。