吴虹:我国稀土发光材料产业发展现状与趋势

2015-02-04

吴虹:我国稀土发光材料产业发展现状与趋势
 中国之光网 作者:吴虹

  作者:国家发改委稀土办《稀土信息》编委、上海照明学会理事吴虹

 
  发光是人们最早认识并加以应用稀土元素的特性。长期以来,奇妙的稀土发光性能吸引着一批探索者在科学的道路不停跋涉。稀土发光材料成为稀土最为重要的应用之一。中国是稀土资源大国,拥有发展稀土发光材料得天独厚的条件。经过几十年的努力,以灯用稀土荧光粉、LED灯用荧光粉及其高效稀土节能光源为代表,我国的稀土发光材料产业渐成规模。现在,中国是世界稀土荧光灯及灯粉的主要产地,稀土荧光粉产能达2.5万吨/年,全球70%~80%的紧凑型稀土节能灯产自中国,并销往美国、西欧、日本、韩国、澳大利亚、印度等国家和地区。
 
  然而,近两年,我国稀土发光材料生产进入了低迷期,不仅市场萎缩,一些企业也渐生退意。从2011年下半年起,我国灯用稀土三基色荧光粉产销量波动加剧,生产和应用市场进入低潮,至今仍呈现下降趋势。分析产业发展的阴晴变化,业内专家指出,目前稀土发光材料应用减少,是受照明产业产品更新换代影响。不过随着传统荧光灯产品的开发拓展,新兴LED照明的研发完善,稀土发光材料在照明领域的地位将得到加强和稳固。专家认为,当今时代,绿色经济大行其道。无论从稀土资源的开发利用看,还是从节能环保的社会要求看,稀土发光材料产业都应该大有作为。为此,专家呼吁:依托资源,加强创新,稳定市场、形成上下游协调发展的管理机制,齐心推进稀土发光材料产业发展,共筑中国稀土的“光之梦”。
 
  那么,在未来,稀土发光材料应该如何发展呢?
 
  一、加强稀土荧光粉生产和应用,破解产业源头制约
 
  无论是稀土荧光灯制造还是LED灯制造,都离不开稀土荧光粉。加强稀土荧光粉的生产应用,是发展稀土发光材料产业的关键所在。随着社会发展要求的提高和照明产业的技术进步,国产稀土荧光粉在品质、性能、应用等方面疲态显露,已不能满足市场需要。因此,发展稀土发光材料产业,必须重视源头,解决好稀土荧光粉品质改善、品种开发、应用拓展等问题。源头活力涌动,下游才能生机勃勃。
 
  抓好稀土荧光粉的前处理,提高稀土荧光粉品质。无须讳言,当前,稀土荧光粉前处理工序生产不规范,导致荧光粉质量无法保证,进而限制了稀土荧光粉的深入应用。由于品种少、质量差,下游企业在开发新品、提高档次往往找不到适用原料。因此,必须规范稀土荧光粉体的前处理技术工艺路线,强化稀土荧光粉前驱体标准化管理,用专业化规模化生产,克服荧光粉一致性及热稳定性差等问题。在关注质量因素的同时,还要注意新技术的应用。要研发稀土氧化钇铕共沉淀、镧铈铽共沉淀、铝基、磷基共沉淀等新T艺,提高稀土氧化物及非稀土氧化物、复合氧化物等前驱体质量,满足各类稀土荧光粉生产所需。
 
  随着照明灯具品种款式呈现多样化趋势,原有的灯用稀土三基色荧光粉已无法满足下游需要。要让稀土荧光粉品质更好,种类更多,应用更广,就必须创新稀土荧光粉品种及应用。这里需要解决几个全局性的问题:第一、解决稀土发光材料与非稀土发光材料、窄带光谱与宽带光谱、传统光源器具卜现代光源器具、科学技术和人文艺术的相容问题,拓展稀土荧光粉研发空间,使得稀土荧光粉契合市场需要和审美时尚,以扩大稀土荧光粉的市场;第二、借助稀土荧光粉窄带光谱的纯度、效率及宽带光谱的舒适度、补色作用,搞清楚粉体与颗粒的关系,将荧光体的“发光光谱拉宽、颗粒级配变窄”,在粉体晶型晶貌完整的前提下,生长球型荧光晶体提高稀土荧光粉的发光质量和二次特性,提高荧光粉发光效率,方便稀土荧光粉的应用;第三、针对不同灯种、不同结构、不同光电特性要求配置不同理化特性的荧光粉体,促进更多更好的品种形成,使荧光粉用途各异,多姿多彩,扩大适用范围。
 
  节能环保是关系稀土荧光粉发展前途的另一个因素。要维护保持稀土荧光粉“绿色”形象,就要在生产过程减少用量、优化利用。可通过磷酸盐体系的绿色、蓝色灯用稀土荧光粉的研发,解决超长直管形荧光灯的色差问题,进而减少用粉量;可以通过加强白光LED用蓝光和紫外激发的黄色、红色、绿色、橙色、蓝色及氮化物荧光粉的开发,有效解决粉体的热猝灭问题,使白光LED的光色、显色性、光效、寿命达到有机统一,在光电技术指标和产品一致性的基础上,提高灯粉利用效率,并为回收利用创造条件。
 
  稀土的光电性能神奇,跳出显示照明的老思维,稀土荧光粉的应用潜力就能得到挖掘,应用领域变宽。这方面已有成功先例。浙江晨辉光宝光技有限公司开发出了T8高光效、高显色的全光谱荧光灯、紫外荧光灯、保健灯水族灯、植物生长灯,用于促进植物生长和医疗保健,为稀土荧光粉家族增添了功能性灯用稀土荧光粉新品种。此外,将红色、橙色、蓝色等特征谱线的灯用稀土荧光粉用于FL、CFL、CCFL、EEFL、LVD、HID、LED、OLED特种照明光源器具,也非常具有市场前景。稀土应用领域的纵深拉宽,可有效解决稀土荧光粉总体用量不足的问题。
 
  二、利用稀土性能,发展生态光源
 
  中国稀土发光材料之所以能够历经艰险却顽强据守在照明市场前沿,就得益于绿色照明理念。无论是稀土荧光灯还是LED灯都是荧光灯,其光源都为节能生态光源。这也就是稀土发光材料备受追捧的原因所在。现在国内照明企业依托稀土资源,在节能生态光源研发方向取得了重大进展。
 
  陶瓷金属卤化物灯集高压钠灯的发光效率高和石英金属卤化物灯的光色、显色指数高优势为一身,被誉为“二十一世纪的环保节能光源”。他的电弧管由透明的稀土多晶氧化铝陶瓷构成,掺入了稀土与非稀土金属卤化物、汞,以及惰性气体(氩、氪或氙)。由稀土铈钨合金、稀土钇钨合金制成具有耐高温、高发射电子能力及顶端自动削尖功能的铈钨电极、钇钨电极取代含放射性的钍钨电极,有利于环保。它不仅光效高、光色和显色性好、色漂移小、结构紧凑,体积仅是同功率石英金属卤化物灯的一半,光效95~110lm/W,显色指数Ra可达90~98,而高压钠灯Ra仅30,除发光效率和透雾性不及高压钠灯,在视物的分辨率、清晰度、明度、可见度、舒适度方面远远优于高压钠灯,从光环境整体评价,光的利用率是高压钠灯的4~8倍,一支150W的金属卤化物灯的照明效果相当于一支700W左右高压钠灯的照明效果。据悉,陶瓷金属卤化灯的光效比石英金属卤灯高20%,寿命提高了33%,节电29%。

过去受技术专利限制,我国大部分的陶瓷管材料依赖于进口,尤其一体化陶瓷管外方拒绝供货和专利问题制约了我国一体化陶瓷金属卤化物灯的发展。沈阳玻璃研究院、中国科学院上海硅酸盐研究所、广东潮州三环有限公司、厦门虹鹭钨钼工业有限公司等单位首先对透明陶瓷管进行研究开发,并取得了一定的成效。通过掺入稀土元素、氧化钇提高陶瓷金卤灯电弧管的热振性和管壁耐压强度,解决了卤酸盐液体的析出,影响发光特性、光效、光色、显色指数、光通维持率和寿命、发光质量的问题,同时解决了灯功率、环境温度和燃点位置变化所引起的色漂移问题;通过提高的气体压力和管壁负载,使所有的盐处于气态,而不会吸附在电弧管管壁的不饱和陶瓷金卤灯燃点过程中,光电参数优越,色温4000K,光效可达90lm/W以上,显色指数Ra98,色坐标可保持稳定状态的燃点时间超越17000h。
 
  中科院上海硅酸盐研究所采用先进的挤压成型和共燃结工艺开发了“五件套”、“三件套”半透明氧化铝陶瓷管,又采用灌浆注射中空椭球形及球形两端带尾管的多晶透明氧化铝陶瓷管的精密成型和烧结工艺技术成功制备了掺入稀土氧化物的多晶一体化陶瓷管。目前,广晟集团中科—天一电光源公司,从稀土陶瓷电弧管—封装制灯—灯具(电子镇流器),从材料—器体—整灯—灯具系列化,实现陶瓷金属卤化物灯产业化。

稀土节能灯
 
  三、完善白光LED,寻求稀土发光材料新支点
 
  白光LED光源是绿色环保节能光源,目前主要采用InGaN超高亮度蓝色芯片和光转换效率高的稀土黄色、红色荧光粉的组合产生复合白光,被视为先进技术、绿色照明的代名词,即将成为未来照明和显示市场的主角。众所周知,作为制造原料,LED产业的发展离不开稀土。所以,推动白光LED更快更好地发展,完善白光LED,能够为稀土发光材料提供更新的、更大的市场空间。
 
  其实白光LED也存在一些不足,但它会通过优化改良,延续自己的发展生命力。近年来,国内生产企业通过技术进步,在白光LED的开发上取得累累成果。例如,研发成功氮化镓基板,解决了白光LED光热转换问题,提高了发光效率、显色指数、寿命、安全可靠性,改善了光色。上海力兹照明电气有限公司研发出高可靠性、恒流、恒压、恒功率、低谐波、低纹波、无传导干扰和辐射干扰的、三次谐波和EMC均达标的高功率因数电子驱动器、智能化无线调光、调色温驱动器、白光LED整灯热管理分析系统。四川新力光源股份有限公司以稀土发光材料的余辉时间与光电子数控同步匹配技术降低AC高压白光LED的频闪波动深度,为满足一体化LED灯及智能LED灯具的市场需要,解决照明用功率型白光LED模块化综合集成的创新技术瓶颈和性价比问题,是当前十分紧迫的任务和攻关重点……目前白光LED的芯片、荧光粉、封装、点胶、热管理、光学配光、电子驱动器、灯具结构、模块化和智能化调光调色控制等技术已经取到了全面突破。而一批具有有技术含量高、性能品质好的白光LED产品也因此进入市场,如上海鼎辉科技股份有限公司和上海德士电器有限公司创新开发了320°的翅形球面发光COB封装金属支架直接与热枕连接的新型透气散热结构的低色温14W白光LED球泡灯。光通量1200Lm,光效85Lm/W,显色指数Ra85,可取代原100W白炽灯。
 
  在白光LED研发生产中,稀土发光材料功不可没。如稀土有机荧光染料、稀土配合物的研发,有助于有机荧光材料和无极荧光材料的相融问题解决,完美体现了稀土发光材料低能耗、高量子效率特点,白光LED发光效率和光的质量由此获提高;掺稀土氮化铝陶瓷基板、稀土陶瓷高热导率散热材料、高热导率稀土铝合金、稀土铝镁合金、稀土铜铝镁合金散热器、高效导热纳米胶等的出现,既解决了热管理问题,又减轻了一体化白光LED灯泡型灯具和大功率白光LED路灯的重量,提高了抗氧化性能、掺稀土光学透镜的应用,又减少了可见光传输和配光中的损耗……众多相关稀土技术、材料、器件的参与,帮助白光LED跳出了传统LED局限,适应了消费需要和时代步伐,从而加快了白光LED市场推进步伐。
 
  受益于原料支持和技术突破,近几年,我国白光LED呈现强势发展势头。2013年我国白光LED灯具出口名列前茅的有以下企业:上海强凌电子有限公司、上海宜美电子可以有限公司、立达信绿色照明股份有限公司、厦门阳光恩耐照明有限公司、厦门海萊照明有限公司、福建万邦光电科技有限公司等,出口总金额近50.8亿美元,同比整长200%。其中出口到美国占比超过16%。2014年6月,在广州举办的中国广州国际照明展上,白光LED照明灯具占到整个展区展示产品的80%以上。
 
  白光LED照明产品在光空间的应用,仅仅是初级阶段,而发展的白光LED照明灯具速度越来越快,据悉目前每三个月就有新款式新花样新产品的出现。随着不断深入、实践、认知、提高、感悟和判断、评估白光LED照明的利和弊,一概而论是违背科学,阻碍发展的,实事求是是我们政治和经济工作的制胜法宝。在世界范围内,白光LED方兴未艾,中国稀土发光材料任重而道远,但我们深信不疑白光LED照明产业的春天必定到来。
 
  来源:中国之光网整理

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