稀土掺杂铝酸锶长余辉发光材料制备与性能研究

论文摘要

SrAl2O4:Eu2+, Dy3+荧光粉是上世纪九十年代发展起来的新型长余辉材料,其以余辉时间长、发光亮度大、化学稳定性好、无辐射、无毒性无污染等优点而优于传统的长余辉发光材料。铝酸锶夜光粉在印刷工业、塑料工业、涂料工业、玻璃搪瓷工业、纺织工业等领域都有广泛的应用。然而,其发光性能和制备工艺还需要进一步提高来满足更高的生产和生活要求。另一方面,尽管研究者已经有多种铝酸锶荧光粉的发光机理模型,但还没有一种模型令所有人信服,因此,有必要对SrAl2O4:Eu2+, Dy3+荧光粉做进一步的研究。本课题使用两种方法制备铝酸锶荧光粉。一种是高温固相法,采用碳粉作为还原剂,取代了传统工艺中不经济、不安全的混合还原性气体。另一种是我们发明的电子束还原法,这是一种快速、节能、环保的新方法。在成功制备出铝酸锶荧光粉的基础上,我们使用X射线衍射仪、荧光光谱仪、扫描电子显微镜等测试分析手段对SrAl2O4:Eu2+, Dy3+荧光粉的晶体结构、荧光光谱、余辉特性、形貌特性和成分组成等进行了分析,并研究了SrAl2O4:Eu2+, Dy3+荧光粉发光性能与还原剂含量、保温时间、电子束照射时间、Eu掺杂量、硼酸添加量等的关系。论文主要由以下六部分组成：第一章：本章首先简要介绍了发光材料,长余辉发光材料的的研究历史、发展状况,然后介绍长余辉发光材料应用、制备方法及长余辉发光机理,最后介绍本论文的选题思路及主要研究内容。第二章：主要介绍本实验的方案设计与研究方法,并对所用到的制备及测试仪器进行简单的介绍。第三章：利用碳粉还原的高温固相法制备了SrAl2O4:Eu2+, Dy3+长余辉荧光粉,并研究其发光性能,以及碳粉含量和保温时间对材料发光性能的影响。实验中碳粉均过量添加,结果表明碳粉含量对铝酸锶样品的发射光谱强度和余辉性能均有较大影响。按照产物化学式计量比称量的7.359g原料参加制备时,碳粉还原法制备SrAl2O4:Eu2+, Dy3+荧光粉的最佳碳粉含量为8g。另外,保温时间对材料性能影响的研究表明,在1350℃的高温下保温3h才能使原料完全合成SrAl2O4晶相,否则会有Sr3Al2O6杂相形成。本制备方法的最佳保温时间为5h,得到的晶粒尺寸在100μm左右。第四章：本章中研究了电子束还原法制备SrAl2O4:Eu2+, Dy3+长余辉荧光粉以及一系列因秦对发光性能的影响。我们发明的电子束还原法中,电子束具有加热和还原的双重作用。首先,受到电子束轰击的表层材料迅速升温,真空下的高温导致铝酸锶失去部分氧,从而使得Eu3+离子还原成Eu2+离子。其次,电子束轰击到材料上后,部分电子可以进入材料内部,使才料整体升温,Eu3+离子还原成Eu2+离子,发生e-+Eu3+→Eu2+的还原反应。因此这是一种高效的还原法。实验发现,稀土元素、硼酸的掺杂和电子束轰击还原几乎没有改变材料的晶体结构以及Eu2+发光中心电子的4f65d→4f7的跃迁环境。SrAl2O4:Eu2+, Dy3+荧光粉的发射峰波长随着Eu掺杂量的增加发生红移,且存在猝灭浓度。铝酸锶荧光粉颗粒大小和结晶程度随着硼酸添加量的增加而增大,电子束照射时间也可以有效改变铝酸锶荧光粉的颗粒和晶粒大小。结果表明：电子束还原法制备SrAl2O4:Eu2+, Dy3+荧光粉的最佳照射时间为15min,最佳Eu掺杂量为2mol%,最佳H3BO3添加量为10mol%,得到的晶粒尺寸在200μm左右。第五章：本章中综合讨论了各制备条件对材料发光性能的影响,并结合实验测试结果的分析和资料,推出了改善的SrAl2O4:Eu2+, Dy3+发光机理模型。第六章：本章对整个工作进行了简要全面的归纳与总结。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 发光材料概述
• 1.2.1 发光材料定义
• 1.2.2 发光材料的发光类型
• 1.2.3 发光材料基本性能指标及测试方法
• 1.3 长余辉发光材料的类型
• 1.3.1 金属硫化物体系长余辉发光材料
• 1.3.2 硅酸盐体系长余辉发光材料
• 1.3.3 铝酸盐体系长余辉发光材料
• 1.4 长余辉发光材料的应用
• 1.4.1 印刷工业中的应用
• 1.4.2 塑料工业中的应用
• 1.4.3 涂料工业中的应用
• 1.4.4 玻璃、陶瓷、搪瓷工业中的应用
• 1.4.5 纺织工业中的应用
• 1.5 长余辉发光材料的制备方法
• 1.5.1 高温固相反应法
• 1.5.2 溶胶-凝胶法
• 1.5.3 共沉淀法
• 1.5.4 燃烧法
• 1.5.5 水热法
• 1.5.6 微波法
• 1.5.7 其他方法
• 1.6 长余辉发光材料的长余辉机理
• 1.6.1 空穴转移模型
• 1.6.2 位型坐标模型
• 1.6.3 电子陷阱模型
• 1.6.4 能量传递模式
• 1.6.5 热致发光模型
• 1.6.6 其他发光模式
• 1.7 本课题的研究内容和目的
• 第2章 实验方案设计与研究方法
• 2.1 原料及其作用
• 2.1.1 原料的选取
• 2.1.2 各种原料的作用
• 2.2 实验所用仪器和设备
• 2.2.1 高温程控气氛热处理炉
• 2.2.2 电子束蒸发镀膜系统
• 2.2.3 X射线衍射仪（XRD）
• 2.2.4 荧光光谱仪
• 2.2.5 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.3 实验方案
• 2.3.1 高温固相法制备流程
• 2.3.2 电子束还原法制备流程
• 2.4 分析测试
• 2.4.1 物相分析
• 2.4.2 形貌与成分分析
• 2.4.3 荧光光谱分析
• 2.4.4 余辉特性
• 2O₄：Eu²⁺,Dy³⁺及其性能研究'>第3章 高温固相法制备SrAl₂O₄：Eu²⁺,Dy³⁺及其性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 高温固相法烧结铝酸锶夜光粉机理
• 3.2.1 铝酸锶荧光粉基质的形成
• 3.2.2 影响铝酸锶荧光粉基质形成的因素
• 3.2.3 还原气氛下的稀土离子
• 2O₄：Eu²⁺,Dy³⁺长余辉荧光粉样品的制备'>3.3 SrAl₂O₄：Eu²⁺,Dy³⁺长余辉荧光粉样品的制备
• 3.3.1 原料的配比
• 3.3.2 原料的预处理
• 3.3.3 样品的合成
• 2O₄：Eu²⁺,Dy³⁺长余辉荧光粉的影响'>3.4 碳粉含量对SrAl₂O₄：Eu²⁺,Dy³⁺长余辉荧光粉的影响
• 3.4.1 铝酸锶荧光粉的XRD图谱
• 3.4.2 铝酸锶荧光粉的形貌特性
• 3.4.3 铝酸锶荧光粉的光谱特性
• 3.4.4 铝酸锶荧光粉的长余辉特性
• 2O⁴：Eu²⁺,Dy³⁺长余辉荧光粉的影响'>3.5 保温时间对SrAl₂O⁴：Eu²⁺,Dy³⁺长余辉荧光粉的影响
• 3.5.1 铝酸锶荧光粉的XRD图谱
• 3.5.2 铝酸锶荧光粉的形貌特性
• 3.5.3 铝酸锶荧光粉的光谱特性
• 3.5.4 铝酸锶荧光粉的长余辉特性
• 3.6 小结
• 2O₄：Eu²⁺,Dy³⁺及其性能研究'>第4章 电子束还原制备SrAl₂O₄：Eu²⁺,Dy³⁺及其性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 电子束轰击还原铝酸锶荧光粉的制备
• 4.2.1 电子束轰击还原系统
• 4.2.2 铝酸锶荧光粉的制备
• 2O₄：Eu²⁺,Dy³⁺荧光粉的影响'>4.3 电子束照射时间对SrAl₂O₄：Eu²⁺,Dy³⁺荧光粉的影响
• 4.3.1 铝酸锶荧光粉的XRD图谱
• 4.3.2 铝酸锶荧光粉的形貌特性
• 4.3.3 铝酸锶荧光粉的光谱特性
• 4.3.4 铝酸锶荧光粉的长余辉特性
• 2O₄：Eu²⁺,Dy³⁺荧光粉的影响'>4.4 Eu掺杂量对SrAl₂O₄：Eu²⁺,Dy³⁺荧光粉的影响
• 4.4.1 铝酸锶荧光粉的XRD图谱
• 4.4.2 铝酸锶荧光粉的形貌特性
• 4.4.3 铝酸锶荧光粉的光谱特性
• 4.4.4 铝酸锶荧光粉的长余辉特性
• 3BO₃添加量对SrAl₂O₄：Eu²⁺,Dy³⁺荧光粉的影响'>4.5 H₃BO₃添加量对SrAl₂O₄：Eu²⁺,Dy³⁺荧光粉的影响
• 4.5.1 铝酸锶荧光粉的XRD图谱
• 4.5.2 铝酸锶荧光粉的形貌特性
• 4.5.3 铝酸锶荧光粉的光谱特性
• 4.5.4 铝酸锶夜光粉的长余辉特性
• 4.6 小结
• 第5章 结果讨论与分析
• 2O₄：Eu²⁺,Dy³⁺荧光粉的最佳激发波长'>5.1 SrAl₂O₄：Eu²⁺,Dy³⁺荧光粉的最佳激发波长
• 2O₄：Eu²⁺,Dy³⁺荧光粉发光性能的因素'>5.2 影响SrAl₂O₄：Eu²⁺,Dy³⁺荧光粉发光性能的因素
• 5.2.1 烧结温度的影响
• 5.2.2 保温时间的影响
• 5.2.3 电子束照射时间的影响
• 5.2.4 Eu、Dy离子浓度的影响
• 5.2.5 硼酸添加量的影响
• 5.2.6 还原方式的影响
• 2O₄：Eu²⁺,Dy³⁺荧光粉的EDS分析'>5.3 SrAl₂O₄：Eu²⁺,Dy³⁺荧光粉的EDS分析
• 5.3.1 碳粉还原的铝酸锶样品的EDS分析
• 5.3.2 电子束照射时间不同铝酸锶样品的EDS分析
• 2O₄：Eu²⁺,Dy³⁺荧光粉发光模型'>5.4 SrAl₂O₄：Eu²⁺,Dy³⁺荧光粉发光模型
• 第6章 总结
• 参考文献
• 附录
• 致谢