一种钛酸盐红色高亮度弹性应力发光材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种钛酸盐红色高亮度弹性应力发光材料及其制备方法，该材料以Ca3Ti2O7为基体，以Pr

A high luminance elastic stress luminescent material for titanate red and its preparation method

The invention relates to a titanate red high luminance elastic stress luminescent material and a preparation method. The material is based on Ca3Ti2O7 and Pr

【技术实现步骤摘要】
一种钛酸盐红色高亮度弹性应力发光材料及其制备方法
本专利技术属于应力发光功能材料科学
，涉及一种钛酸盐红色高亮度弹性应力发光材料及其制备方法。
技术介绍
应力发光是由机械应力作用于固体材料而导致其发光的现象。这种机械应力可以是断裂、摩擦、挤压、撞击、劈裂等形式。应力发光材料根据固体形变，可分为破坏应力发光材料和非破坏应力发光材料；而非破坏应力发光材料又可分为弹性应力发光材料和塑性应力发光材料。弹性应力发光是在材料弹性形变限度内给它施加机械应力使其发光，并具有发光强度与外加应力成正比的特点。同时，弹性应力发光材料具有可重复性、发光强度高、即时响应、应力响应高规律性等优点。因此，弹性应力发光材料在压力传感器、自诊断系统、人造皮肤、城市建筑物防灾以及减灾系统、建筑物和机器的应力分布检测等众多领域表现出良好的应用前景。由于对于弹性应力发光材料的研究较短，只有几十年，所开发的高性能弹性应力发光的材料数目有限，包括有ZnS：Mn2+、Ca2Al2SiO7：Ce3+、SrAl2O4：Eu2+、SrAl2O4：Eu2+，Dy3+、BaTiO3-CaTiO3：Pr3+、SrAl2O4：Ce3+、SrAl2O4：Ce3+，Ho3+、CaMgSi2O7：Eu2+，以及LiNbO3：Pr3+等为数不多的材料。其中SrAl2O4：Eu2+，Dy3+材料表现出优良的弹性应力发光性能，但是缺点同样很明显，大大降低了其商业化推广与应用，例如制备工艺复杂，需要在还原气氛下烧结；化学性质不够稳定，易水解；余辉时间长，影响应力发光的显示。因此，开发制备工艺简单、化学性质稳定的高亮度弹性应力发光材料仍是一个热点问题。本专利技术的目的在于解决现有材料存在的部分缺点，寻求一种钛酸盐红色高亮度弹性应力发光材料及其制备方法，该材料在空气环境下高温固相合成，化学性质稳定，弹性应力发光强度高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于公开一种钛酸盐红色高亮度弹性应力发光材料及其制备方法。该材料以Ca3Ti2O7为基体，以Pr3+为激活剂，其化学表达式为(Ca1-xMx)3-z(Pr1-yRy)zTi2O7，其中0≤x≤0.2，0≤y≤0.4，0＜z≤0.02，M选自Mg、Sr、Ba中的一种或多种，R选自Dy、Sm、Ho中的一种，x、y、z表示摩尔百分含量。本专利技术所公开的钛酸盐红色高亮度弹性应力发光材料采用两步高温固相法在空气中合成。制备过程包括以下步骤：a)按元素化学计量比分别称取原料，加入适量去离子水或无水乙醇，充分研磨后烘干得到混合粉料；b)将步骤a)所得的粉料在空气中于700～1100℃下预烧，预烧保温时间为2～7小时；c)将冷却后的预烧产物研磨混匀后，在空气中于1200～1400℃下煅烧，煅烧保温时间为3～7小时；d)将步骤c)得到的煅烧产物冷却后研磨，在空气中于1500～1600℃煅烧3～7小时；e)将步骤d)得到的煅烧产物冷却后研磨成粉即得到钛酸盐红色高亮度弹性应力发光材料。制备钛酸盐红色高亮度弹性应力发光材料方法，其特征在于，Ca、Mg、Sr和Ba采用其氧化物或碳酸盐为原料，Ti采用其氧化物为原料，Pr和R采用其氧化物、硝酸盐、或碳酸盐为原料。将制得的钛酸盐红色高亮度弹性应力发光材料粉料与光学透明的有机高分子弹性材料(如ABS树脂、聚缩醛(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)、聚丙烯(PP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氨酯树脂、聚酯、环氧树脂、硅橡胶等)混合制成薄片或圆柱型树脂体、或涂覆于待测部件表面，可将该部件所受机械应力转换为光能，实现应力分布检测。本专利技术所制得的钛酸盐红色高亮度弹性应力发光材料，其特征在于，该材料的弹性应力发光峰为位于615nm附近的线状峰，单色性好。本专利技术所制得的钛酸盐红色高亮度弹性应力发光材料，其特征在于，材料在机械作用刺激下具有强的弹性应力发光，在黑暗环境下用肉眼可观测到明亮的红光发射。本专利技术所制得的钛酸盐红色高亮度弹性应力发光材料，其特征在于，材料属于陷阱控制型发光材料，其弹性应力发光在紫外光辐照后可恢复，属于非破坏应力发光材料。本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术材料制备采用传统的固相反应方法，制备工艺简单、空气氛围下制备、条件容易控制、设备要求低、成本低廉，制备过程中无有毒气体生成，对环境无污染。(2)将制得的弹性应力发光材料与光学透明的高分子弹性材料混合制成薄片或圆柱型树脂体、亦或涂覆于待测部件表面，可将其所受机械外力(压力、拉力、摩擦力、冲击力、剪切力、扭曲力、弹力、超声等)转换为光能发出。(3)本专利技术所制备的钛酸盐红色高亮度弹性应力发光材料具有强的弹性应力发光，在较暗环境下能够直接被人眼看到。(4)本专利技术所述的钛酸盐红色高亮度弹性应力发光材料的发光强度，依赖于激发源的机械能大小。该材料的发光强度一般随着机械作用力的升高而增大，因而在引起光发射的机械相互作用力中存在最小的能值，或应力阈值，该阈值受材料组分变化的支配。该材料可响应的机械应力范围之宽，从几牛顿的弱应力作用到施加大到能破坏材料结构的能量都能使其产生应力发光。本专利技术所述的钛酸盐红色高亮度弹性应力发光材料和其复合材料只要在外部施加很小的外力即可发光，并且在弹性变形区域内，发光强度与应力强度成正比关系，可实现应力分布检测。(5)本专利技术所述的钛酸盐红色高亮度弹性应力发光材料的弹性应力发光余辉衰减快。应力施加结束后，应力发光余辉迅速消失(毫秒量级)，无肉眼可见的应力发光光晕及受力轨迹，该性能不妨碍材料对后续弱应力的测定。该弹性应力发光材料可用于对部件和构件的应力分布实时监测和粘合剂强度测量。(6)本专利技术所述的钛酸盐红色高亮度弹性应力发光材料，可广泛应用于压力传感器、机械应力可视化、人造皮肤、智能蒙皮、自诊断系统、超精密器件加工，生物体、建筑物和机器的应力分布检测、城市建筑物防灾以及减灾系统、预测地震产生、检测飞机和汽车的损害、研究人体疾病。附图说明图1是本专利技术实施例1样品的粉末X射线衍射图。图2是本专利技术实施例1样品的激发光谱(监测615nm红光发射)。图3是本专利技术实施例1样品的发射光谱(激发波长327nm)。图4是本专利技术实施例1样品的弹性应力发光光谱。图5为本专利技术实施例1的弹性应力发光强度随压力负荷的变化曲线。图6为本专利技术实施例1在摩擦作用下的弹性应力发光曲线。图7是本专利技术实施例1样品的热释光曲线.具体实施方式以下通过特定的具体实施例并结合附图对本专利技术进行更详细的说明。应理解，这些实例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围；还应理解，本专利技术提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还存在其它方法步骤，或在这些明确提到的步骤之前还可以插入其它方法步骤。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本专利技术可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更
技术实现思路
的情况下，当亦视为可实施的范畴。具体地，表1列举了本专利技术的9个具体实施例的材料组分、原料重量、烧结温度及弹性应力发光性能。表1.实施例1-9样品的材料组分、原料重量、烧结温度和弹性应力发光性能。实施例1.制备钛酸盐红色高亮度弹性应力发光材料Ca2.991Pr0.009Ti2O7：(1)根据表1称取原料，以上原料本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钛酸盐红色高亮度弹性应力发光材料，其特征在于，以Ca3Ti2O7为基体，以Pr

【技术特征摘要】
1.一种钛酸盐红色高亮度弹性应力发光材料，其特征在于，以Ca3Ti2O7为基体，以Pr3+为激活剂，其化学表达式为(Ca1-xMx)3-z(Pr1-yRy)zTi2O7，其中0≤x≤0.2，0≤y≤0.4，0＜z≤0.02，M选自Mg、Sr、Ba中的一种或两种，R选自Dy、Sm、Ho中的一种，x、y、z表示摩尔百分含量；该材料的弹性应力发光峰为位于615nm附近的线状峰，单色性好；材料在机械作用刺激下具有强的弹性应力发光，在黑暗环境下红色应力发光可用肉眼观测；材料的弹性应力发光在紫外光辐照后可恢复，属于陷阱控制型非破坏应力发光材料；该材料与光学透明的有机高分子弹性材料混合后，制成薄片或圆柱型树脂体或涂覆于待测部件表面，可将所受机械应力转换为光能，实现应力分布检测。2.如权利要求1所述的钛酸盐红色高亮度弹性应力发光材料的制备方法，其特征在于，Ca、Mg、Sr和Ba采用其氧化物或碳酸盐为原料，Ti采用其...

【专利技术属性】
技术研发人员：张君诚，范新华，潘聪，
申请(专利权)人：青岛大学，
类型：发明
国别省市：山东,37