上海光機(jī)所3D打印激光照明透明陶瓷研究取得進(jìn)展

來源：上海市科委

 近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所紅外光學(xué)材料研究中心在增材制造（3D打�。┘す庹彰魍该魈沾裳芯糠矫嫒〉眠M(jìn)展。該工作通過數(shù)字光處理打印技術(shù)（DLP）實(shí)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(fù)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(guān)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(shí)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(fù)雜光學(xué)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(shí)現(xiàn)快速無模制造，所有組件均可進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計，為發(fā)光透明陶瓷制造領(lǐng)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(dá)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(yīng)。研究利用DLP三維打印方法，制造出具有可定制的厘米級復(fù)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(dá)到96.4%，并展現(xiàn)出優(yōu)秀的透光率（約40%）。激光激發(fā)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，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(dú)特的微通道結(jié)構(gòu)有關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明，具有自由幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計和高激光通量閾值的LuAG:Ce LTCs三維打印技術(shù)的應(yīng)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(shí)驗(yàn)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(guān)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(guān)系，下面的照片對應(yīng)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(yù)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(yīng)用。