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上海光機(jī)所3D打印激光照明透明陶瓷研究取得進(jìn)展 

2023-10-27 09:27
近期,中國(guó)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(guó)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(dòng)的照明系統(tǒng)可為未來的固態(tài)照明提供優(yōu)勢(shì),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(jiǎn)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(dòng)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(jì),為發(fā)光透明陶瓷制造領(lǐng)域帶來了重要的可能性。
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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。

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(dòng)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。
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   圖2.(a)測(cè)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(duì)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)。

研究在DLP墨水中引入了發(fā)光染料,以減少陶瓷粉末對(duì)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(jí)復(fù)雜三維幾何形狀的LuAG:Ce陶瓷坯體。
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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。

經(jīng)過燒結(jié)工藝后,3D打印陶瓷組件的相對(duì)密度達(dá)到96.4%,并展現(xiàn)出優(yōu)秀的透光率(約40%)。
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   圖4.LuAG:Ce陶瓷的激光照明性能和封裝應(yīng)用。

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(jì)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(dòng)照明提供了更高效、更可靠的解決方案。
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