新型应力发光材料Ca_(5)Ga_(6)O_(14):Sm^(3+)制备及其性能

采用高温固相法成功制备出新型Ca_(5-x)Ga_(6)O_(14):xSm^(3+)应力发光材料。通过X射线衍射、扫描电镜、漫发射光谱、光致激发和发射光谱、荧光衰减曲线、应力发光光谱和热释光光谱等测试详细研究了Ca_(5-x)Ga_(6)O_(14):xSm^(3+)的晶体结构、表面形貌、光致发光和应力发光性能及其发光机理。在404 nm激发下,Ca_(5-x)Ga_(6)O_(14):xSm^(3+)呈现出4个发射峰,分别位于562,599,642,715 nm,对应Sm^(3+)的^(4)G_(5/2)→6Hj(j=5/2,7/2,9/2,11/2)的特征发射。随着Sm^(3+)离子掺杂浓度的增加,发光强度先增强后减弱,在x=0.07时获得最强发射,且衰减时间从1.92 ms缩短至1.30 ms。在滑动摩擦激发下可获得Ca_(5-x)Ga_(6)O_(14):xSm^(3+)的应力发光发射带,且应力发光强度与施加应力满足线性增长,表明该材料在应力传感领域具有潜在应用价值。

无机应力发光材料的发光特性、发光机理及应用研究进展

能在机械刺激下发光的材料可称为应力发光材料,应力发光属于一种力学-光子转换过程。在17世纪初首次观测到应力发光现象,但直至20世纪末,SrAl2O4∶Eu2+和ZnS∶Mn2+应力发光材料的出现以及其在应力传感领域巨大的应用前景才重新引起了研究者对应力发光材料的广泛关注。近二十多年来,随着人们对应力发光的深入认识以及对应力发光性能提升方法的逐步掌控,应力发光材料得到了快速发展,并在防伪加密、应力传感、疾病监测、照明显示、应力记录等领域展示出巨大的应用潜力。本文围绕应力发光材料的发展与研究现状,对应力发光材料的分类、发光特性、发光机理和应用领域进行了梳理和总结,提出了当下面临的瓶颈问题以及未来可能的研究方向,旨在为新型实用应力发光材料的开发提供有益的启示。

SrAl_(2)O_(4)基应力发光监测预警涂层的研究进展

采用应力发光材料在目标结构表面构筑功能涂层可对结构损伤进行实时监测预警,不仅提高了设施的安全性,还为检修工作和损伤机理的研究提供了帮助,应用潜力巨大。为促进这类涂层的研发与应用,首先介绍了弹性应力发光材料的发展历程及基本特征,通过对比突出了SrAl_(2)O_(4)基材料的综合优势。然后详细分析了SrAl_(2)O_(4)基质的晶体结构、缺陷类型对能级分布、电子运动状态以及光的吸收与发射性能的影响,并论述了元素掺杂对发光强度、波段和灵敏度等发光性能的影响。接着介绍了应力发光常用的检测表征方法和基于现象分析形成的应力发光机理。在此基础上,进一步总结归纳了制备应力发光粉末的主要方法以及影响其物相结构、晶体尺寸和发光性能的核心因素,分析了各自的优缺点。详细介绍了制备监测预警涂层的表面技术和工程应用案例,发现该类涂层仍存在敏感度不高、后处理工艺苛刻和界面结合差等问题。最后,从探究应力发光本质、制备实用性更强的预警涂层和制定生产测试标准3个角度提出了一些建议。

ZnS:Cu^(2+)应力发光薄膜力学性能研究及应用

采用ZnS:Cu^(2+)应力发光粉末与聚二甲基硅氧烷(PDMS)混合制备ZnS:Cu^(2+)-PDMS应力发光薄膜。利用数字图像相关(DIC)方法对ZnS:Cu^(2+)-PDMS应力发光薄膜进行轴向拉伸测试,获得其全场变形、应变分布信息,证实其具有良好的柔弹性形变性能。将ZnS:Cu^(2+)-PDMS应力发光薄膜应用于混凝土断裂监测中。监测结果表明:ZnS:Cu^(2+)-PDMS应力发光薄膜在混凝土裂缝扩展过程中发光效果明显,可以较好地实现混凝土断裂过程的可视化监测。

超声引起的SrAl_2O_4:Eu,Dy薄膜的应力发光

为了实现超声探伤和应力发光探伤二者结合,研究了SrAl_2O_4∶Eu,Dy(SAOED)/硅橡胶在超声振动下的应力发光性质。薄膜的微观结构表明,SrAl_2O_4∶Eu,Dy应力发光颗粒被高弹性的硅胶包裹。当超声波作用到薄膜表面时,超声振动可以促使应力发光颗粒周围的硅橡胶发生各种形变,从而使被包裹的应力发光颗粒发生有效形变,产生高效的应力发光。薄膜厚度以及超声频率对SAOED发光薄膜的应力发光有明显的影响。薄膜的超声应力发光强度随着薄膜厚度的增加先增大,当薄膜的厚度为1 mm时达到最大,之后随着薄膜厚度的增加而降低。薄膜的超声应力发光强度与超声频率大小成正比,即使最低频率仅为500 Hz时仍能检测到信号,说明SrAl_2O_4∶Eu,Dy/硅橡胶发光薄膜是一种很有应用前途的无损检测传感器。

紫外应力发光材料SrMgSi_2O_6:Ce的制备与光谱性质研究

采用固相烧结法制备了3种紫外应力发光材料SrMgSi2O6:Ce0.005、SrMgSi2O6:Ce0.005,Er0.015和Sr2MgSi2O7:Ce0.005,Er0.015。XRD测试结果表明:SrMgSi2O6与Sr2MgSi2O7具有相同的结构,掺杂离子的加入没有改变相结构。3种样品的荧光发射光谱很类似,均在330～400 nm紫外波段有较宽的发射谱带。应力发光曲线的测试结果表明,样品的应力发光强度与物体受力变化呈良好的对应关系,证明所制备的样品可以用来检测物体的受力情况。同时,研究了共掺杂离子以及改变基质结构对应力发光强度的影响,结果表明发光体中陷阱数目的增加以及基质对称性的降低有利于应力发光的产生。由于所开发的样品波长在紫外区,因而可以作为光源来激发其他颜色的光致发光材料从而实现多颜色应力发光材料的开发。

应力发光材料BaZrSi_3O_9的制备与发光特性研究

采用高温固相法制备了Ba Zr Si3O9样品,通过X射线粉末衍射仪、荧光光谱仪和热释光计量计测试了样品的物相结构、荧光光谱、余辉衰减曲线、热释光温度曲线和应力发光特性.测试结果表明:发射光谱峰位于435 nm,具有可重复利用性,属于非破坏性发光,样品应力发光强度与承受的机械应力在一定范围内成正比的规律性.研究表明应力发光的原理与长余辉相似,缺陷势阱捕获的电荷载流子受到外界的影响而释放,与发光中心复合从而产生发光.样品波长属于可见光,可以用作检测应力强度及探测结构破坏位置的图像传感器,从而实现非破坏性应力实时监测及应力可视化.

通过Pr^(3+)掺杂SrZnOS实现应力发光颜色调控及其应力发光机理

采用高温固相法成功制备出新型Sr_(1-2x)Pr_(x)Li_(x)ZnOS应力发光材料。通过XRD、扫描电镜、漫反射、光致发光、荧光衰减、应力发光和热释光等测试详细研究了晶体结构、形貌、光致和力致发光性能及其发光机理。在298 nm激发下,Sr_(1-2x)Pr_(x)Li_(x)ZnOS的发光位于522 nm和674 nm,分别来自于Pr^(3+)离子从激发态^(3)P_(0)到^(3)H_(5)、^(3)F_(2)的跃迁。随着Pr^(3+)浓度增加,发光强度先增加后减小,在x=0.015时发光最强,且衰减时间从17.79μs减短到5.93μs。在载荷为5000 N激发下可以获得Pr^(3+)离子的522 nm和674 nm的应力发光发射带。位于522 nm和674 nm的两个发射带的相对强度I_(G)/I_(R)随着掺杂浓度的增加呈线性减小,且在色坐标图(CIE)和实物应力发光照片中均能观测到应力发光的颜色从黄绿光到橙黄光的转变。该材料的研究将为应力发光领域提供调控颜色的新思路,在压力显示成像和应力传感领域具有潜在的应用价值。

无机可再生应力发光材料研究进展

应力发光是某些材料受到机械刺激时产生的发光现象。许多固体材料在压裂过程中会产生应力发光,但这种破坏性发光限制了材料的实际应用。可再生应力发光的发现为应力发光材料创造了解决现实问题的机会,其在结构健康诊断、力驱动的新型光源和显示器件以及生物力学应力传感器等领域展现出广泛的应用前景。本文对近二十年来无机可再生应力发光材料的研究进展进行了梳理和总结,主要介绍无机可再生应力发光材料的分类、表征、机理和应用四个方面,并讨论了未来研究中所面临的机遇和挑战,以期对该类材料的研发及应用提供有意义的启示。

K_(x)Na_(1–x)NbO_(3):Pr^(3+)铁电体的光致发光和应力发光性能

应力发光材料具有应力-光转换特性,能在机械应力下产生发光,从而在光学信息显示方面具有很高的应用价值.本文通过改变铁电基体K_(x)Na_(1–x)NbO_(3)∶0.5%Pr^(3+)(K_(x)NNOP)的K^(+)/Na^(+)比来调节材料的晶体结构和缺陷分布,系统研究了K+含量对光致发光和应力发光性能的影响.研究结果表明,K+含量的增加使晶体对称性提高,导致K_(x)NNOP样品的光致发光强度降低.值得注意的是,在450 nm的光激发下,在K^(+)含量较高的组分中出现了Pr^(3+)电子3P1→3H5和3P0→3H5能级跃迁引起的发射峰,这归因于Pr^(3+)和Nb5+之间距离的变化导致Pr-O-Nb内价电子电荷转移态(IVCT)的能级位置不同.在压缩应力下,K_(x)NNOP(x=0,0.01,0.02,0.1)组分展现出明亮的红色应力发光,且应力发光强度随K+含量的增加而增大,其中K0.1NNOP组分表现出最高的强度发射.特别的是,其应力发光行为具有可重复性和可恢复性的特征.通过热释光曲线研究了K_(x)NNOP样品中的陷阱能级,揭示了K0.1NNOP中应力发光的增强可能与K+含量变化引起的陷阱密度和陷阱深度的差异有关.基于这些结果,建立了一个模型来阐述K_(x)NNOP中可能的应力发光机理.

基于应力发光材料的肢体运动压力可视化测量

应力发光是机械外力作用于应力发光材料时的发光现象。应力发光材料,尤其是弹性应力发光材料在应力可视化传感领域有着重要的应用前景。基于弹性应力发光材料的发光强度与应力大小的线性特征规律,该材料可以用来制成检测应力强度以及位置的应力分布传感器,实现动态应力的非破坏性检测和应力可视化。人体肢体的动态压力分布能反映出肢体的结构、体姿势的受力和运动状态,甚至是人体健康状态等信息。通过对肢体压力的测试和分析,可获取人体在各体态和运动下的生理和机能参数,这对临床医学诊断、生物力学及体育运动均有重要意义。本文首先利用固相法制备具有绿光发射的SrAl_(2)O_(4)∶Eu^(2+)(SAO-E)应力发光材料,进而利用SAO-E和硅橡胶(Ecoflex复合)制成的柔性应力发光薄膜来采集肢体(足/手/拳)压力图像,不仅达到了肢体压力大小可视化的目的,而且还能够分析不同位置压力大小的分布情况。与传统的测量方式相比,基于应力发光材料的运动肢体压力测量方法直接可视化,不仅提升了辨识度,还可以得到压力细节特征,同时也为运动健康监测提供了一种新的思路。

SrAl2O4∶Eu,Ho/树脂应力发光薄膜在焊缝缺陷检测中的应用

采用高温固相法合成SrAl_2O_4:Eu,Ho应力发光材料。XRD结果表明,所合成的样品较纯,掺杂离子并未改变基质材料的基体结构。将SrAl_2O_4:Eu,Ho(SAOEH)应力发光粉末与树脂混合制备复合应力发光薄膜。光谱结果表明,薄膜的发光随着厚度的增加而增强;薄膜的SEM结果表明,SAOEH粉体颗粒均匀分散在树脂中。将应力发光薄膜应用于钢板焊缝处背面,应力测试结果表明薄膜应力发光先增强后减弱。当薄膜厚度为0.9 mm时,应力发光最强,且在焊缝处可得到较高的响应值。此外,在循环测试的过程中,应力发光薄膜可对焊板断裂实现实时响应,结合CCD相机可实现钢板焊缝检测的可视化,并对缺陷定位。

应力发光材料Sr2SiO4∶Eu,Dy的光谱性质研究

采用高温固相法制备一系列Sr_2SiO_4∶Eu0.01,Dy_x(x=0.000 1,0.002 5,0.005,0.01)应力发光材料,研究了不同掺杂浓度下,Sr_2SiO_4∶Eu,Dy的光致发光和应力发光性质。研究结果表明在掺杂Dy^(3+)浓度较低时,样品同时存在α和β两种相,当掺杂Dy^(3+)浓度增加时,则出现β到α的相转变。由于Eu^(2+)占据Sr^(2+)格位的不同,样品在蓝光区486nm(Sr1)和绿光区530nm(Sr2)有两个峰存在。而应力发光光谱与余辉光谱类似,均只呈现出530nm的发光,这说明二者的发光来源于占据Sr_2格位的Eu^(2+),都是通过改变陷阱的浓度实现发光性能的变化,但Sr_2SiO_4∶Eu,Dy的应力发光强度的变化还与其结构改变有关。同时,Sr_2SiO_4∶Eu,Dy应力发光强度与所施加的力之间呈良好的线性关系,并且可用眼睛观察到明显的黄色应力发光,这为应力发光传感器准确检测物体所受应力提供依据。结合余辉、热释以及应力发光性质,推测Sr_2SiO_4∶Eu,Dy的应力发光机制应是压电产生的电致发光。

近红外应力发光材料研究进展

应力发光材料因在应力传感、光学信息存储、生物成像显示、防伪等领域的潜在应用,引起了广大科研工作者的关注。但是,目前已知该材料的发光大多集中在可见光波段范围,这极大地限制了其更广阔的应用;而近红外应力发光材料由于不受明亮环境的干扰以及具有良好的生物组织透过性,逐渐步入科研工作者的视野,成为一类重要的应力发光材料。本文主要综述了近红外应力发光材料的最新研究进展,并对其未来研究方向提出了展望。

高效率Tb^(3+)单掺绿色荧光粉的光致/应力发光研究

稀土离子Tb^(3+)被视为当前绿色荧光材料中最具潜力的激活剂之一.采用高温固相法制备了新型绿色荧光粉β-KMg(PO_(3))_(3):Tb^(3+),其在紫外光区域具有强的f-f跃迁激发峰,呈现出较高的荧光量子产率(90.74%),且色度坐标与商用绿色荧光粉接近,其发射峰源于Tb^(3+)的5D_(4)-7F_(J)(J=6, 5, 4, 3)跃迁发射;Tb^(3+)占据Mg^(2+)格位,由于电荷差而产生的缺陷被热释光验证,多种深度陷阱能级的存在使得该荧光粉具备优异的热稳定性.更重要的是,β-KMg(PO_(3))_(3):Tb^(3+)呈现出优异的应力发光特性,在应力刺激下陷阱能级中的电子及空穴分别被释放回Tb^(3+)的激发态及基态,实现Tb^(3+)的5D_(3)-7F_(J)(J=6,5,4)及5D_(4)-7F_(J)(J=6, 5, 4, 3)跃迁.该绿色荧光粉粉末及复合薄膜材料均呈现出优异的光致及应力发光性能,在固态照明、显示与应力传感等领域具有应用前景.

锆与镁掺杂铝酸锶的应力发光与余辉调控

应力发光材料是一类可以在机械力作用下直接发光的智能材料.其中,铝酸盐具有出色的应力发光和长余辉性能,被广泛研究.本研究不同于以往主要关注应力发光或长余辉中的单一性质,而是系统探究了不同添加物对铝酸锶应力发光、光致发光、长余辉和应力长余辉的复合影响.结果表明,硼酸对发光强度的提升与掺杂离子的种类和浓度存在关联.此外,Zr掺杂能显著改善材料的烧结均匀性和发光均匀性,最佳掺杂浓度为2%,此时应力发光和长余辉发光强度分别提高134%和278%.在此基础上,共掺Mg会导致应力发光强度降低50%以上,但长余辉强度增加了100.76%,并伴随着吸光速率减缓.本研究还比较了6个样品的应力诱导余辉曲线,测得Zr/Dy共掺样品表现出极佳的应力长余辉,而去除10%Al原子的样品展现出极低的应力余辉,仅为3 s.共掺8%Mg将导致应力余辉在经过约2.5 s后便衰退至无明显应力余辉的曲线以下.

Sr_(2)MgSi_(2)O_(7)∶Eu^(2+),Eu^(3+)发光性能及颜色调控

采用静电纺丝法在不同气氛下制备了Sr_(2)MgSi_(2)O_(7)∶Eu^(2+),Eu^(3+)纤维,研究其晶体结构和形貌;将纤维与聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合后获得Sr_(2)MgSi_(2)O_(7)∶Eu^(2+),Eu^(3+)‐PDMS复合材料,研究其光致发光和应力发光性能。研究结果显示,氮气、空气下制备样品的XPS图谱同时出现Eu^(2+)和Eu^(3+)结合能特征峰;在360 nm和395 nm激发下复合材料的光致发光光谱中,不但有Eu^(2+)位于469 nm处的蓝色宽带发射,还包含Eu^(3+)位于615 nm的多个红色窄带发射。因为Eu^(3+)在电荷补偿下还原成Eu^(2+)并在刚性结构保护下不被氧化,证实了Eu^(3+)在Sr_(2)MgSi_(2)O_(7)中的自还原现象。随着Eu^(3+)的掺杂浓度增大,光致发光和应力发光强度都先增大后减小,Eu^(2+)和Eu^(3+)的发射分别在5%和10%时达到最强。应力发光强度与应力的增长是线性关系,Eu^(2+)的发射增长量大于Eu^(3+)。在实物照片和CIE坐标中观测到光致发光颜色从蓝色逐渐接近红色,应力发光颜色在应力增大时逐渐从粉红色变为紫粉色。该材料的研究将为发光调控提供参考,在应力传感和防伪等领域有着潜在的使用价值。

Sr_(3)Y_(2)Ge_(3)O_(12):Bi^(3+):紫外-可见-近红外超宽带应力发光及性能调控探索

现有应力发光多局限于单一波段。铋(Bi)离子能实现紫外-近红外波段的超宽发射,但是现有Bi离子激活应力发光材料多限于蓝光发射。针对这一问题,本工作在多格点石榴石化合物(Sr_(3)Y_(2)Ge_(3)O_(12))中率先实现了紫外-可见-近红外超宽带应力发光,并借助近邻离子(Sc^(3+))取代策略调控其应力发光性能。最后,利用热释光测试等得到材料缺陷分布信息,并探究其应力发光机理。最后,基于多模式发光,该材料有望用于信息储存领域。

Sm^(3+)掺杂双钙钛矿结构Sr_(3)Sn_(2)O_(7)的应力发光特性

Sr_(3)Sn_(2)O_(7):Sm^(3+)是一种被广泛研究的应力法光材料,但关于Sm^(3+)掺杂量的研究仍然存在缺失。本工作采用高温固相法制备Sr_(3-x)Sn_(2)O_(7):x Sm^(3+)。在Sr_(3)Sn_(2)O_(7)中掺入少量Sm^(3+)后,样品仍然保持着非中心对称的双钙钛矿结构。样品在受到紫外灯激励或应力施加之后,能展现出稳定的光致发光、长余辉和应力发光性能,且这三者的光谱显示出一致性。应力发光来源于Sm^(3+)的^(4)G_(5/2)激发态向^(6)H_(J)(J=5/2,7/2,9/2)基态的电子跃迁。通过调控x值对其发光性能进行优化,在x=0.020时性能最好。Sm^(3+)掺杂量的变化对应力发光性能的影响,既对现有的相关工作进行了补充,同时也能为未来的相关研究起到参考或指导的作用。

陷阱控制型应力发光材料Ca_(2)Ga_(2)GeO_(7):Pr^(3+)的发光性能

相比于传统的破坏型应力发光材料,陷阱控制型应力发光材料在应力发光过程中具有良好的结构完整性和应力发光可重复性等优势,已在应力传感器、应力驱动的照明和显示器等领域展现出应用潜力,高性能陷阱控制型应力发光材料的开发对推动应力发光的应用进程具有重要意义。本工作研究了新型陷阱控制型应力发光材料Ca_(2)Ga_(2)GeO_(7):Pr^(3+),通过测量XRD谱、漫反射光谱、荧光衰减曲线、发射光谱、应力发光光谱和热释光图谱对其发光特性进行了研究。Ca_(2)Ga_(2)GeO_(7):Pr^(3+)的光致发光谱和应力发光光谱均具有位于488、610 nm和648 nm的发射峰,分别对应于Pr^(3+)从^(3)H_(4)→^(3)P_(0)、^(3)H_(4)→^(1)D_(2)和^(3)F_(2)→^(3)P_(0)的能级跃迁。我们发现在连续摩擦刺激下其应力发光强度表现出缓慢衰减特性,并且应力发光强度与应力强度还满足线性增长趋势。基于热释光测试的陷阱属性分析表明:Ca_(2)Ga_(2)GeO_(7):Pr^(3+)缓慢衰减的应力发光特性主要来源于材料中深陷阱的存在,即在连续应力刺激过程中,深陷阱不断地向浅陷阱提供电子补充,使应力发光表现出缓慢衰减特性。这为高性能陷阱控制型应力发光材料的开发和应用提供了材料和实验基础。