稀土超长余辉材料的制备实验报告

-1-实验报告一、实验名称（Titleofexperiment）稀土超长余辉材料的制备二、实验目的（Purposeofexperiment）1、掌握高温固相法合成发光材料的基本方法，熟悉X射线多晶衍射法物相分析技术，学习荧光性能测试的基本操作。2、学习涂料配制原理和涂膜技术。3、学习实践科学发展观，提高节能减排意识。培养综合运用知识进行科学研究的能力。三、实验原理（Principiumofexperiment）夜光涂料是一种蓄能型自发光材料。它能吸收并储存自然光或灯光等光能，当光照停止后，在黑暗处将吸收的能量以可见光的形式缓慢释放出来，形成夜光。发光颜色有多种，以绿色为最佳。发光材料的选择：长余辉发光材料主要有碱土铝酸盐系列，碱土硅酸盐系列，碱土硅铝酸盐系列，硫化物或硫氧化物系列等。发光颜色有蓝色、蓝紫色、蓝绿色、黄绿色、红色、橙色等，而人的视觉对黄绿光较敏感。在发光涂料中，起关键性作用的是发光材料，主要考虑发光材料的颜色、发光色、发光亮度、粒径及耐候性等。日前，市售发光粉还存在一些问题：有的稳定性较差，有的发光亮度低，有的余辉较短，有的粒径较粗等。将SrAl2O4∶Eu2+，Dy3+用作涂料的发光组分，其发光颜色为黄绿色，发光余辉时间长，发光亮度高，耐候性好，粒度较细，具有较好的综合性能。本实验以铝酸锶为基质，掺杂少量稀土元素Eu和Dy，制备一种发光性能优良的超长余辉高亮度发光材料，其发光时间和发光强度有明显提高，余辉时间长达16h以上，使用寿命长达10年以上。-1-四、仪器及测试条件（Instrumentandparameters）主要仪器：D8AdvanceX射线粉末衍射仪；三用紫外线分析仪；F-7000型分光光度计等。主要设备和用品：玛瑙研钵；刚玉坩埚（大、小）；电子分析天平；高温固相反应炉等。主要试剂：SrCO3(AR)，Al(OH)3(AR)，Eu2O3(4N)，Dy2O3(4N)，H3BO3(AR)，活性炭（AR），95％乙醇（AR）等。五、实验步骤（Procedureofexperiment）1、查阅国内外相关文献、专业书籍和网络文章了解荧光材料和夜光涂料的基本知识；重点了解固态反应法合成发光材料的工艺、X射线多晶物相分析方法等知识专业知识。2、发光材料的制备将原料SrCO3，Al(OH)3，H3BO3，Eu2O3和Dy2O3粉体按组成为Sr0.9Al2O4∶Eu0.05，Dy0.05，B0.03，得产物2g计算原料用量，用分析天平分别定量称取SrCO31.2480g、Eu2O30.0827g、Dy2O30.0876g、Al(OH)31.4652g、H3BO30.0172g，在玛瑙研钵中加入少量乙醇充分研磨混合均匀，然后移入小刚玉坩埚，在大刚玉坩埚中放入1/2体积的活性炭，将小坩埚（无盖）置于大坩埚中（加盖，留缝隙），在1350℃恒温4h。冷却后取出坩埚，在紫外灯下观察产物得荧光现象并初步评估性能。3、发光材料的性能研究①用X射线粉末衍射仪对试样进行物相分析，得出物相组成并分析原因。②用荧光分光光度计进行激发光谱与发射光谱的测试。对于该发光粉，激发光谱主峰应位于320和360nm处，激发波长的范围较宽，属于4f-5d宽带激发跃迁谱，从紫外到可见光区均可激发该发光粉体。发射光谱主峰应位于520nm处。③将SrAl2O4∶Eu,Dy发光粉在紫外灯照射3min，然后移去激发光源，黑暗中观察亮度变化。用荧光分光光度计测量其在停止激发光照射后10min内的发光余辉时间。-2-六、实验数据及处理(Dataprocessingofexperiment)药品数据：SrCO3:1.2537g；Eu2O3:0.0833g；Dy2O3:0.0878g；Al(OH)3:1.4668g；H3BO3:0.0174g1.相组成分析用D8AdvanceX射线粉末衍射仪(Bruker)采集试样的粉末衍射数据，条件为CuKα1辐射(λ=0.15406nm)，管电压40kV，电流40mA，步长0.02°/step，步速0.1sec/step。见附图1。样品通过检索可以知道其中已形成基质相“”即SrAl2O4(01-074-0794)。根据所测图谱与数据库中的SrAl2O4标准图谱相比，两者基本吻合，但是其中也含有少许杂相Eu2O3和杂相EuB2O4，所得样品主要以SrAl2O4存在。但是还是在d=2.62040处没有检测出此处的这个峰代表什么杂质相。2.观察亮度变化发光粉在紫外灯下照射10分钟后，我们观察到发光粉发出较强的荧光，而且余辉时间持续很长，具体见附图2。3.荧光数据：Scanspeed:1200nm/minEXSlit:1.0nmEMSlit:1.0nm（图3）七、实验结果（Resultsofexperiment）长余辉时间的长短取决于陷阱能级中的电子数量及其返回激发态能级的速率，长余辉的强度则取决于陷阱能级中的电子在单位时间内返回激发态能级速率。铝酸锶铕中镝的加入对延长发光体余辉时间十分有利。通过本实验可得，采用高温固相反应方法可以制得发光性能较好的蓝绿色荧光粉。利用固相反应合成发光材料的主要优点是：微晶的晶体质量优良，表面缺陷少，发光亮度大，余辉时间长，利于工业化生产。-3-八、思考题及讨论（ExercisesandDiscussion）1.试解释超长余辉发光材料的发光机制。超长余辉发光涂料是一种蓄能型自发光涂料，它可在自然光或灯光等光线照射下吸收并储存光能，当外来光照射停止后，在黑暗处将吸收的能量以低频可见光的形式缓慢释放出来，形成夜光。发光颜色有多种，以绿色为最佳。发光机制：当用365nm紫外光激发SrAl2O4发光体时，Eu2+产生4f→5d跃迁。辅助激活离子Dy3+的加入，改变了晶格的形状，使晶格发生畸变，从而产生了杂质能级（陷阱能级），这种杂质能级主要是由Dy3+的加入产生的，并且Dy3+取代Sr2+导致空穴的产生，所以陷阱能级是相对均匀的由空穴产生的施主能级。这一能级位于Eu2+的激发态能级与基态能级之间。当电子受激发从基态到激发态后，一部分电子跃迁回低能级产生发光，另一部分电子通过弛豫过程储存在陷阱能级中，当陷阱能级中的电子吸收能量时，重新受激回到激发态能级，跃迁回基态能级而发光。余辉时间的长短与储存在陷阱能级中的电子的数量及吸收的能量有关。陷阱能级中的电子数量多，则余辉时间长；吸收的能量多，使电子容易克服陷阱能级与激发态能级之间的能量间隔，从而产生持续发光现象。长余辉时间的长短取决于陷阱能级中的电子数量及其返回激发态能级的速率，长余辉的强度则取决于陷阱能级中的电子在单位时间内返回激发态能级速率。铝酸锶铕中镝的加入对延长发光体余辉时间十分有利。2.影响发光材料性能的主要因素有哪些？如何保证和提高其性能？粉末粒度、基质结构、原料纯度、温度、助熔剂等对铝酸盐发光材料长余辉性能有影响，而且杂质猝灭也是影响其余辉特性的重要因素。（1）粉末粒度：一般认为，材料的颗粒粒径愈大，其发光亮度愈高，反之粒径减小，则发光亮度下降。这一方面是因为颗粒粒径大的的材料结晶状态要好，其发光效率高；另一方面，颗粒粒径大对激发光散射小，能更有效的吸收激发光。在表面状态的研究中，发现颗粒表面的光滑程度直接影响材料对激发光的反射，反射率愈大的材料对光的吸收愈低，从而使材料的发光亮度减弱。（2）温度特性：发光材料在使用或加工过程中，会随温度的变化使发光亮度有一定改变。因使用环境温度变化而引起材料发光亮度的改变可称为动态温度特性。（3）采用较合理的物料配比，使用纯度高的原料，防止被污染，加入助熔剂也有利于增加发光粉体的余辉强度和余辉持续时间，采用隔绝空气骤冷的冷却工艺对-4-提高发光性能均有利。3.发光材料的制备方法有哪些？试评价各自的利与弊。①高温固相法，高温固相法操作方便，成本相对较低，但它存在合成温度高、单相化合物难以得到，且晶粒粗大以及经磨细后会使发光亮度大幅度下降等缺点。②溶胶-凝胶法，溶胶-凝胶法的优点是合成产物纯度高，化学组成均匀，合成温度低，可以控制颗粒尺寸，而且产物的颗粒度比较均匀。选用合适的工艺参数，可制成纳米磷光体。但该方法操作复杂且成本高。③共沉淀法，化学共沉淀法制备的粉体具有组成均匀，纯度高，颗粒细小等优点，已经逐步应用于发光材料的粉料制备。共沉淀法制备发光材料时不仅要选定合适的沉淀剂，而且要控制沉淀时的pH值。同时指出不同的合成方法对磷光体的性能也有影响。④微波法：主要优点是，微波合成可改进合成材料的结构和性能；微波加热样品后，可以使样品在周围的低温环境中实现较快速降温；能够改善劳动环境和劳动条件；微波煅烧可以有效节省能源。指导老师Instrcutor田一光附图1：XRD谱图-5-附图2：紫外灯照射下的发光图-6-附图3：荧光谱图