一种锆磷酸盐基弹性应力发光材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于应力发光材料技术领域，涉及一种锆磷酸盐基高性能弹性应力发光材料及其制备方法，化学结构表达式为Ca1-x-y-2z-nSrxBayAzRnZr(PO4)2；A表示一价碱金属元素，选自Li、Na、K和Rb中的一种或多种；R表示稀土敏化剂元素，选自La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy和Er中的一种或多种；x、y、z、n分别表示摩尔百分含量；制备时Ca、Sr、Ba采用其氧化物或碳酸盐为原料，碱金属元素以及稀土敏化剂采用其氧化物、硝酸盐或碳酸盐为原料，Zr采用氧化物为原料，PO43-采用NH4H2PO4或(NH4)2HPO4或(NH4)3PO4为原料，其制备工艺简单，条件易控，制备环境友好，产品性能好，发光强度高，应用范围广。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于应力发光材料
，涉及一种锆磷酸盐基高性能弹性应力发光材料及其制备方法，在生物体、机械部件和建筑物等场合的应力分布检测、应力传感器、显示器、娱乐装置等领域具有广泛的应用前景。
技术介绍
应力发光材料是一种能将机械能转换为光能的固体材料，即施加不同机械应力时材料因形变而发光；根据固体材料产生应力发光时的形变程度，应力发光材料可分为破坏性应力发光材料和非破坏性应力发光材料，破坏性应力发光材料于自然界中普遍存在， 其发光源自固体断裂过程中能量释放产生的放电，这类发光本身具有破坏性且材料发光强度没有规律，至今尚未获得实际应用；非破坏性应力发光材料又可细分为塑性应力发光材料和弹性应力发光材料，其中，对弹性应力发光材料的研究虽然只有十余年历史，但因具备其它应力发光材料无法比拟的优势而成为当前功能材料研究热点之一。在弹性形变限度内，弹性应力发光材料不仅拥有对检测材料无损坏的特点，而且具有发光强度与应力强度成正比的特性。性能优良的弹性应力发光材料能对不同形式的机械应力刺激(如压缩、拉伸、弯曲、碰撞、摩擦、扭转、超声等)做出即时响应，支持广泛的应力强度测试范围 (10kPa_20MPa)，可通过检测材料应力发光的强度分布而得到应力分布，实现应力分布非破坏性可视化实时探测；当应力强度增大至超出材料弹性应变范围到达塑性和破坏变形区域，弹性应力发光材料又同时兼顾了塑性应力发光材料和破坏性应力发光材料的发光特性，这将有利于探测各种不同结构的弹性形变、塑性形变及其破坏情况，可用于待测物体受力及受损情况的实时监测。目前，基于弹性应力发光材料开发的触觉传感器、智能蒙皮、自诊断安全管理系统等已经在人造皮肤和机器部件的应力分布实时检测与监测，全天候城市建筑物防灾、 减灾等领域都表现出巨大的应用前景。迄今为止，人们已经开发出十余种能够发出不同颜色光的弹性应力发光材料，但其中只有发黄光的ZnS:Mn2+材料、发红光的(Ba，Ca) TiO3: Pr3+材料以及发绿光的SrA1204: Eu2+材料拥有足够实际应用的应力发光强度。然而遗憾的是，这三种材料仍然存在其它问题而不能满足实际需求ZnS:Mn2+材料只在摩擦力和冲击力作用下具有弹性应力发光，在压力作用下没有应力发光特性(参看文献 Appl. Phys. Lett.，1999，74:1236-1238) ； (Ba, Ca) TiO3:Pr3+ 材料弹性应力发光产生的压力阈值过大，无法对低于350N的压力作出弹性应力发光反应(参看文献Appl. Phys. Express, 2010，3:022601 和专利文献 CN200810042188. O) ;SrAl2O4:Eu2+材料中的载流子陷阱能级深度较浅(0.2±0. IeV)，可对微弱应力做出响应，却限制该材料在较强机械能作用下的应用(参看文献Appl. Phys. Lett.，1999，74:2414-2416)。因此，探讨开发出一种具有广泛应用前景的高性能弹性应力发光材料，在不同机械应力作用下发出高亮度的可见光，具有多重载流子陷阱深度，能够对宽能量范围的机械作用做出弹性应力发光响应，具有重要的科学价值和社会效益。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求提供一种锆磷酸盐基高性能弹性应力发光材料及其制备方法，该材料弹性应力发光强度高，具有多重载流子陷阱深度、能够对宽能量范围的机械作用做出响应。为了实现上述目的，本专利技术涉及的锆磷酸盐基高性能弹性应力发光材料以稀土元素为激活剂，其化学结构表达式为Cai_x_y_2z_nSrxBayAzRnZr(PO4)2，其中O彡x彡0.30，O^ y ^ O. 30,0 ^ z ^ O. 10,0 ^ n ^ O. 10 ；A表示起电荷配位作用的一价碱金属元素，选自Li、Na、K和Rb中的一种或多种；R表示稀土敏化剂元素，选自La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、 Dy和Er中的一种或多种；x、y、z、n分别表示摩尔百分含量；该材料与光学透明的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，能将所受机械外力转换为光能，实现应力分布检测。本专利技术制备锆磷酸盐基高性能弹性应力发光材料时，其Ca、Sr、Ba采用其氧化物或碳酸盐为原料，碱金属元素Li、Na、K和Rb以及稀土敏化剂La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy 和Er采用其氧化物、硝酸盐或碳酸盐为原料，Zr采用氧化物为原料，P043_采用NH4H2PO4或 (NH4),04或(NH4)3PO4为原料，采用两步固相合成法制备，具体步骤为(I)、先合成CamnSrxBayAzRnZrO3，按元素化学计量比称取原材料，将各粉状原材料均匀混合后，加入无水乙醇或去离子水研磨、混匀、烘干后将粉料压片，再在 100(Γ1300 的大气环境下灼烧3 6h，最后冷却至室温合成制得Cai_x_y_2z_nSrxBayAzRnZr03 ；(2)、将制得的 Cai_x_y_2z_nSrxBayAzRnZr03 与 NH4H2PO4 或(NH4)2HPO4 或(NH4)3PO4 按元素化学计量比称取并均匀混合后，加入无水乙醇或去离子水研磨、混匀、烘干后将粉料压片，依据稀土离子激活剂种类将压片后的样品在大气、氩气、氮气或还原气氛中升温至900 1200 V，保温6 24h后冷却至室温合成制得Cai_x_y_2z_nSrxBayAzRnZr (PO4) 2 ； 或再将Cai_x_y_2z_nSrxBayAzRnZr (PO4) 2粉碎及过筛制得粉末状弹性应力发光材料 Ca!-x-y-2z-nSrxBayAzRnZr (PO4) 2。本专利技术材料的弹性应力发光强度取决于晶粒尺寸，当晶粒尺寸变大时，发光强度降低，当晶粒尺寸减小达到纳米级晶粒，发光强度升高；晶粒尺寸为10(Tl50nm,晶粒尺寸用X射线衍射仪测量；发光材料的弹性应力发光亮度超过20mcd/m2，在较亮的环境下能目视；弹性应力发光的应力响应阈值不大于5N，应力响应范围不小于2000N ;在材料弹性限度内，发光强度与应力强度成正比，所采用的光学透明的高分子弹性材料的弹性形变范围不小于2500N ;材料的发光强度依赖于激发源的机械能大小，随着机械作用力的升高而升高， 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；该材料能响应的机械应力大于5N时都能使其产生应力发光。本专利技术与现有技术相比，其制备工艺简单，条件易控，制备环境友好，产品性能好， 发光强度高，应用范围广。附图说明图I为本专利技术制得的锆磷酸盐基高性能弹性应力发光材料CaZr(PO4)2 = Eu2+的晶体结构不意图，CaZr(PO4)2属于正交晶系，空间群为P2PA,晶格常数为Λ = 14.488 A,b = 6.721 A t = 6.2.35 A: Ca，Zr，P原子分别与O原子形成CaO7, ZrO7, PO4多面体结构，少量掺杂的发光中心Eu2+离子替代Ca2+离子。图2为本专利技术制得的锆磷酸盐基高性能弹性应力发光材料CaZr (PO4)2:Eu2+沿a轴方向的晶体结构俯视图。图3为本专利技术实施例1#、实施例4#和实施例5#制备的锆磷酸盐基高性能弹性应力发光材本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锆磷酸盐基弹性应力发光材料，其特征在于化学结构表达式为Ca1？x？y？2z？nSrxBayAzRnZr(PO4)2，其中0≤x≤0.30，0≤y≤0.30，0≤z≤0.10，0≤n≤0.10；A表示起电荷配位作用的一价碱金属元素，选自Li、Na、K和Rb中的一种或多种；R表示稀土敏化剂元素，选自La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy和Er中的一种或多种；x、y、z、n分别表示摩尔百分含量；该材料与光学透明的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，能将所受机械外力转换为光能，实现应力分布检测。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张君诚，龙云泽，孙彬，张红娣，
申请(专利权)人：青岛大学，
类型：发明
国别省市：