一种具有多孔隙光通道结构的超高亮度蓄光陶瓷及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种具有多孔隙光通道结构的超高亮度蓄光陶瓷及其应用，所述蓄光陶瓷内部具有相互连通的三维孔道结构，孔道直径为200～800微米，孔隙率为55～75％，可应用于消防指示领域。本发明专利技术提供的超高亮度蓄光陶瓷，经过20min蓄光，可实现15小时(>0.32mcd/m

【技术实现步骤摘要】
一种具有多孔隙光通道结构的超高亮度蓄光陶瓷及其应用
本专利技术涉及一种蓄光陶瓷，具体涉及一种具有多孔隙光通道结构的超高亮度蓄光陶瓷及其应用，属于无机非金属材料领域。
技术介绍
蓄光陶瓷集蓄光材料与陶瓷的优点集于一身，不同于目前的消防指示用蓄光产品的“发光涂料+基质”、“分层复合”和“简单包覆”等结构，其采用一体成型方式进一步提升了蓄光材料制品的性能。在现有技术中，如CN110240472A等专利提出将长余辉蓄光粉与石英陶瓷原料粉经过称量、混合、成型、干燥以及烧结等步骤制备得到“一体式”蓄光陶瓷。这种结构的优势在于：(1)将长余辉材料蓄光功能相结合可透光陶瓷基质相可以实现陶瓷通体发光以达到高光效的要求；(2)避免发光釉层与陶瓷基质因膨胀系数不同造成的釉层开裂；(3)半透光陶瓷基质由于具有较高的耐酸碱侵蚀性能和抗热振性，其具有的热膨胀系数低，体积稳定性好等优势，可作为基质实现蓄光性能。然而，此方案虽优势明显，但是由于介质折射率差异(如石英基蓄光陶瓷：铝酸盐荧光粉折射率为～1.6，石英基陶瓷折射率为1.45-1.50)在陶瓷内部必然会引起的双折射现象，导致激发光以及荧光的散射损耗，以及整体透过率的降低。加上蓄光陶瓷(折射率大于1.45)与空气(折射率为1.0)间的较大的折射率差，受到外界能量的激发后产生荧光从陶瓷上表面出射时会产生全发射效应，经计算全反射临界角为44°，即只有24.4％的荧光能够从陶瓷上表面出射，其余荧光受限于全反射效应，将在陶瓷内部以波导效应形式传输，直至完全损耗。为实现“一体化”蓄光陶瓷在消防指示、园艺景观等领域更为广泛的应用，进一步提高光的吸收与提取效率。一种具有特征微观结构的荧光陶瓷通过加入造孔剂(如淀粉、聚乙烯醇、糊精等)在陶瓷内部引入气孔使荧光入射到气孔后使荧光以散射或者反射的形式在陶瓷内部传播，提高光提取率与吸收率(如CN109467453A和CN110204321A等专利)。光路在陶瓷中的散射源主要有包括气孔，第二相以及杂质等。这些散射点一般遵循米氏散射(Miescattering)原理。如附图1所示，在蓄光陶瓷的制备过程中，散射点的主动引入，一方面增加光子传播的平均自由程，有利于发光离子对自然光的充分吸收；并且有效削弱荧光的波导效应以及全反射效应，从而提高荧光的提取效率与出射效率。但是造孔剂的原理是其在高温下会发生分解生成气体，但是其往往会伴随着剧烈的氧化还原反应或者热解反应，导致气孔形状偏离正常的球形或者大小不均的情况。因此若要制备这种微观特征结构的蓄光陶瓷，需要针对原材料的特性与产品要求精确选取造孔剂和特定的其他添加剂，同时还需要特定的球磨与烧结工艺等。这无疑会对本领域的工作人员提出极高的要求，最终造成产品的发光效率不稳定等结果。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是提供一种具有多孔隙光通道结构的超高亮度蓄光陶瓷。本专利技术的目的之二是提供上述具有多孔隙光通道结构的超高亮度蓄光陶瓷的应用。为实现上述目的，本专利技术提供一种具有多孔隙光通道结构的超高亮度蓄光陶瓷，所述蓄光陶瓷内部具有相互连通的三维孔道结构，孔道直径为200～800微米，孔隙率为55～75％。当孔径低于200微米时，孔道之间难以连通，这种结构就会返回之前的大气孔结构，成为降低光效的散射中心，而且可能因局部气孔较多造成陶瓷整体的局部缺陷较大从而影响良品率；当孔径大于800微米时，陶瓷会产生局部空洞，影响陶瓷外观及强度。值得说明的是：在结构上，本专利技术所提到的“多孔隙结构”区别于现有技术的“气孔”，现有的荧光陶瓷或者蓄光陶瓷的微观结构设计只涉及到了通过微量造孔剂产生封闭的气孔并加控制气孔的形貌及大小以增加光在陶瓷基质中的散射。如附图2所示的本专利技术产品结构示意图，和封闭的“气孔”不同，本专利技术通过大量造孔剂在陶瓷内部形成相互连通的孔洞结构。该结构可作为光线传输的通道，增加了陶瓷的比表面积，提高蓄光陶瓷的光效。在理论上，现有技术中，荧光入射到陶瓷内部遇到气孔或其他二相后会以散射或者反射的形式在陶瓷内部传播，通过合适的工艺控制气孔的形貌和大小。但是造孔剂在烧结过程中往往因为反应剧烈，气孔的形貌和分布难以控制，很容易造成光路在陶瓷内部的大量损耗。加上蓄光陶瓷与空气间的较大的折射率差，受到外界能量的激发后产生荧光从陶瓷上表面出射时会产生全反射效应，经计算全反射临界角为44°，即只有24.4％的荧光能够从陶瓷上表面出射，其余荧光受限于全反射效应，将在陶瓷内部以波导效应形式传输，直至完全损耗。在本专利技术中，光路在通道内可经过多次反射并投射近陶瓷中，光通道内部的低折射率介质(相比于蓄光粉和陶瓷基质)可起到部分波导的作用，同时又能避免光路在陶瓷内部的大量散射损耗，因此光通道结合陶瓷基质的结构可以带着陶瓷内部发光中心的更多光子的发射光到达陶瓷表面，极大地提高了光的吸收和发射率。进一步地，上述具有多孔隙光通道结构的超高亮度蓄光陶瓷可通过以下步骤制备得到：(1.1)称量：以原料粉体总质量为100％计，分别称取质量百分比为50％～55％的10～30目的石英原料、25％～29％的50～100目的石英原料、6％～15％的150～250目的石英原料，其余为制备铕、镝共掺的铝酸锶长余辉荧光粉的原料粉体；再称取占原料粉体总质量35％～55％的造孔剂，所述造孔剂为碳酸氢铵、淀粉、碳酸氢铵与淀粉按质量比1：3～6组成的混合物中的一种；(1.2)混料：将步骤(1)称量的粉体原料置于球磨罐内，同时加入磨球和去离子水进行球磨混合；(1.3)成型：将步骤(2)球磨后的浆料进行真空除泡处理，然后将除泡后的浆料注入模具中成型，得到素坯；(1.4)干燥：将步骤(3)得到的素坯静置7～12小时后进行脱模，然后置于干燥箱内干燥；(1.5)烧结：将步骤(4)干燥后的素坯在还原气氛下进行高温煅烧，煅烧温度为800～1200℃，保温时间为3～6h，随后随炉冷却至室温，即得到蓄光陶瓷材料。优选的，步骤(1.1)中，所述制备铕、镝共掺的铝酸锶长余辉荧光粉的原料粉体为SrCO3、Al2O3、Eu2O3和Dy2O3，根据化学式SrAl2O4:Eu2+,Dy3+中各元素的化学计量比称量得到。优选的，步骤(1.2)中，所述磨球与原料粉体总质量的质量比为1.5～3：1，所述去离子水的添加量为原料粉体总质量的12％～17％。优选的，步骤(1.2)中，所述球磨的转速为160～300r/min，球磨时间为20～25h。优选的，步骤(1.3)中，所述真空除泡的真空度为-10～-30kpa，除泡时间为30～50min。优选的，步骤(1.4)中，所述干燥温度为60～100℃，干燥时间为15～24h。进一步地，上述具有多孔隙光通道结构的超高亮度蓄光陶瓷还可以通过以下步骤制备得到：(2.1)将玻璃基质原料、长余辉蓄光粉、分散剂和氧化铝粉放入造粒机内，加入掺杂有造孔剂的去离子水后直接机械搅拌造粒，搅拌4～8小时后加入增塑剂，继续搅拌1～3小时得到混料；整个搅拌过程的搅拌转速在100～300rad/本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有多孔隙光通道结构的超高亮度蓄光陶瓷，其特征在于，所述蓄光陶瓷内部具有相互连通的三维孔道结构，孔道直径为200～800微米，孔隙率为55～75％。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有多孔隙光通道结构的超高亮度蓄光陶瓷，其特征在于，所述蓄光陶瓷内部具有相互连通的三维孔道结构，孔道直径为200～800微米，孔隙率为55～75％。


2.根据权利要求1所述的一种具有多孔隙光通道结构的超高亮度蓄光陶瓷，其特征在于，通过以下步骤制备得到：
(1.1)称量：以原料粉体总质量为100％计，分别称取质量百分比为50％～55％的10～30目的石英原料、25％～29％的50～100目的石英原料、6％～15％的150～250目的石英原料，其余为制备铕、镝共掺的铝酸锶长余辉荧光粉的原料粉体；再称取占原料粉体总质量35％～55％的造孔剂，所述造孔剂为碳酸氢铵、淀粉、碳酸氢铵与淀粉按质量比1：3～6组成的混合物中的一种；
(1.2)混料：将步骤(1)称量的粉体原料置于球磨罐内，同时加入磨球和去离子水进行球磨混合；
(1.3)成型：将步骤(2)球磨后的浆料进行真空除泡处理，然后将除泡后的浆料注入模具中成型，得到素坯；
(1.4)干燥：将步骤(3)得到的素坯静置7～12小时后进行脱模，然后置于干燥箱内干燥；
(1.5)烧结：将步骤(4)干燥后的素坯在还原气氛下进行高温煅烧，煅烧温度为800～1200℃，保温时间为3～6h，随后随炉冷却至室温，即得到蓄光陶瓷材料。


3.根据权利要求2所述的一种具有多孔隙光通道结构的超高亮度蓄光陶瓷，其特征在于，步骤(1.1)中，所述制备铕、镝共掺的铝酸锶长余辉荧光粉的原料粉体为SrCO3、Al2O3、Eu2O3和Dy2O3，根据化学式SrAl2O4:Eu2+,Dy3+中各元素的化学计量比称量得到。


4.根据权利要求2所述的一种具有多孔隙光通道结构的超高亮度蓄光陶瓷，其特征在于，步骤(1.2)中，所述磨球与原料粉体总质量的质量比为1.5～3：1，所述去离子水的添加量为原料粉体总质量的12％～17％。


5.根据权利要求2所述的一种具有多孔隙光通道结构的超高亮度蓄光陶瓷，其特征在于，步骤(1.2)中，所述球磨的转速为160～300r/min，球磨时间为20～25h。


6.根据权利要求2所述的一种具有多孔隙光通道结构的超高亮度蓄光陶瓷，其特征在于，步骤(1.3)中，所述真空除泡...

【专利技术属性】
技术研发人员：张乐，杨顺顺，陈东顺，邵岑，康健，李明，周天元，李延彬，陈浩，
申请(专利权)人：江苏师范大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32