稀土发光材料的特点及应用介绍 - 曹铁平

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稀土发光材料的特点及应用介绍

曹铁平

(白城师范学院化学系,吉林白城137000)

摘要:本文概述了稀土发光材料近几年的研究进展,重点介绍稀土发光材料的特点、

合成方法和应用,以及我国稀土发光材料生产现状和未来发展前景展望。

关键词:稀土;发光材料;应用中图分类号:O614

文献标识码:A

文章编号:1673-3118(2006)04-0042-03

稀土发光材料优点是发光谱带窄,色纯度高,色彩鲜艳;吸收激发能量的能力强,转换效率高;发

射光谱范围宽,从紫外到红外;荧光寿命从纳秒跨越到毫秒6个数量级,磷光最长达十多个小时;材料的物理化学性能稳定,能承受大功率的电子束,高能射线和强紫外光的作用等。今天,稀土发光材料已广泛应用于显示显像,新光源,X射线增感屏,核物理探测等领域,并向其它高技术领域扩展。

2　稀土发光材料的合成方法稀土发光材料的合成方法包括水热合成法、高温固相合成法、微波合成法、溶胶———凝胶法、微波辐射法、燃烧合成法以及共沉淀法。

水热法合成稀土发光材料具有反应条件温和,可以创造平衡缺陷浓度和生成新物相;制得的粉体晶粒发育完整,结晶度良好,粒径很小且分布均匀,有利于改善材料性能;团聚程度很轻,可以得到理想化学计量组成的材料;无需煅烧和研磨,避免了晶粒团聚、长大以及杂质和结构缺陷,减少了发光损失等优点。

目前工业生产荧光粉的方法均为传统的高温固相合成法,主要优点是微晶的晶体质量优良,表面缺陷少、发光效率高,缺点是合成清晰度高,颗粒尺寸大且分布不均匀,难以获得球形颗粒。

20世纪80年代以来,发展了一系列新的合成方法,如溶胶———凝胶法、燃烧法。这些方法的共同优点是合成温度大大降低,产物物相纯度高,可

发光是物体把吸收的能量转化为光辐射的过程。当物质受到诸如光照、外加电场或电子束轰击等的激发后,吸收外界能量,处于激发状态,它在跃迁回到基态的过程中,吸收的能量会通过光或热的形式释放出来。如果这部分能量是以光的电磁波形式辐射出来,即为发光。

所谓的稀土元素,是指镧系元素加上同属IIIB族的钪Sc和钇Y,共17种元素。这些元素具有电子结构相同,而内层4f电子能级相近的电子层构型、电价高、半径大、极化力强、化学性质活泼及能水解等性质,故其应用十分广泛。

1　稀土发光材料的发光特性

稀土是一个巨大的发光材料宝库,稀土元素无论被用作发光(荧光)材料的基质成分,还是被用作激活剂,共激活剂,敏化剂或掺杂剂,所制成的发光材料,一般统称为稀土发光材料或稀土荧光材料。

物质发光现象大致分为两类:一类是物质受热,产生热辐射而发光,另一类是物体受激发吸收能量而跃迁至激发态(非稳定态)在返回到基态的过程中,以光的形式放出能量。

因为稀土元素原子的电子构型中存在4f轨道,当4f电子从高的能级以辐射驰骋的方式跃迁至低能级时就发出不同波长的光。稀土元素原子具有丰富的电子能级,为多种能级跃迁创造了条件,从而获得多种发光性能。

收稿日期:2006-04-08

作者简介:曹铁平(1964———),女,白城师范学院化学系副教授,研究方向:应用化学。

　白城师范学院学报　第20卷第4期　2006年以得到较小的颗粒,缺点是发光效率低,荧光粉结晶质量欠佳,晶体形状难以控制。此外,还发展了微波辐射加热法和等离子体加热法等物理合成方法。微波辐射法的优点是合成速度快、能耗小,操作简便,产品物相纯度高。这些新的合成方法成本一般较高,大规模生产中用的不多。

微波合成法是近10年来迅速发展的新兴制备技术,是利用微波辐射代替传统的加热以进行无机固相反应的一种方法。它是将微波炉发射出来的微波,通过吸收介质传递给反应物体系,从而快速升温到所需温度,并使反应在较短时间内完成。该法由于使组分内部整体同时发热,故升温速度极快,是一种快速高效、省电节能和环境污染少的绿色合成法。因而研究人员广泛采用微波法以取代高温固相法合成固体发光材料。

3　稀土发光材料的应用

我国稀土发光及其材料科学技术和产业化经过30年的研发,尽管与发达国家相比还存在一定差距,但取得许多自主发展的科技成果,特别是从1980年改革开放以来,短短的20多年,取得了令人瞩目的成就。

稀土发光材料的应用领域包括电光源照明、大屏幕显示器材料、夜明材料、电视机显色材料、X射线荧光粉与闪烁体等等。其中,电光源照明是其应用的最主要方面,灯用荧光粉的产量在所有荧光粉中占据首位。

3.1　稀土长余辉发光材料的应用。稀土长余辉发光材料是一类光致储能功能材料,又称为“夜光粉”,广泛应用于弱光照明、应急指示、建筑装饰和工艺美术等领域。

20世纪90年代以来,为了发展更优良的长余辉发光材料,人们尝试使用稀土,成功开发了二价铕和其他稀土离子掺杂的绿色、蓝绿色及蓝色长余辉发光材料。目前商用的蓝色长余辉发光材料是铕、镝激发的铝酸钙(CaAlu,Dy),绿色长余2O4∶E辉发光材料是铕、镝激发的铝酸锶(SrAlu,2O4∶EDy),其发光强度、余辉亮度及余辉时间均超过传统的碱土金属硫化物发光材料,而且在空气中的化学稳定性比硫化物优良,但缺点是浸泡在水中容易发生分解。

稀土长余辉荧光粉在我国实现了产业化,目前年生产能力已达到600吨。龙头企业是大连路明━43━

发光科技股份有限公司。四川省新力集团与清华大学研发的稀土长余辉发光材料已进入产业化阶段,已建成共沉淀法稀土长余辉发光材料生产线和多个应用加工车间。产品分3大类,9个系列,近200多个品种,主要有红、黄、蓝、紫长余辉发光材料;发光涂料、油墨、塑料、陶瓷和发光工艺品等;发光地名、消防、电力和公共信息标示牌等。最近中标深圳地铁标示牌,合同金额近4000万元。3.2　在农用光转换膜方面的应用。将发光材料作为太阳光的转光剂,加入到农用塑料薄膜中制成农膜或大棚,改善光合作用的光质,提高光能利用率,促进农作物、蔬菜早熟和增产。这一新技术于20世纪90年代在我国迅速发展。目前使用和发展的转光剂,主要包括有机铕(钐)的配合物(或螯合物)和稀土激活的发红光无机荧光体两大类。这一新技术对西部和北部绿色农业工程发展,甚至脱贫致富很有帮助。

3.3　在军事方面的应用。稀土发光材料制作的各种显示器已用于歼击机、强击机和武装直升机中,提高其功能和性能。长余辉夜光粉制品用于舰艇等方面。我国有关单位在这一领域有很长足的发展。

3.4　在增感屏用荧光体方面的应用。许多稀土荧光体可以用作X射线增感屏,对于诊断人类疾病,保障人们医疗健康起重要作用。北京大学开发的二价铕激活的氟氯化钡荧光体成功地用于X射线增感屏,在医院使用。他们研发的二价铕激活的氟溴化钡荧光体用于存储计算的X射线摄像系统,其图像板和仪器已研制成功,正在多家医院试用。

3.5　新一代长余辉磷光体的应用。从1989年至今,我国大力研制和发展二价铕和其他稀土离子掺杂的铝酸盐新一代蓝绿色、绿色及蓝色长余辉磷光体,它们的性能均超过以往的ZnS型和SrS型长余辉粉,SrAlu,Dy绿色磷光体长达12小2O4∶E时。与此同时,我国科技工作者将长余辉磷光体和涂料、不干胶、油墨或纺织品结合开发出各种荧光涂料制品,并已实现大规模产业化。

4　我国稀土发光材料生产现状

我国拥有发展稀土应用的得天独厚的资源优势,在现已查明的世界稀土资源中,80%的稀土资源在我国,并且品种齐全。从1986年起,我国稀土━44━JournalofBaichengNormalCollegeVol.204,2006　　　

是我国21世纪化学化工的重大课题,而稀土发光材料的研究将是它的主攻方向。

产量已跃居世界第一位,使我国从稀土资源大国成为稀土生产大国。目前,无论是储存、产量,还是出

口量,我国在世界稀土市场上占有举足轻重的地位。现已形成三大主流产品:信息显示用荧光粉、灯用三基色荧光粉、长余辉荧光粉。在我国稀土事业迅速发展的同时,应该清醒的看到,我国在稀土深加工方面,在稀土功能材料的开发和应用技术方面并不站在世界前列,与世界先进水平还有相当的差距,需要我们奋起赶上。目前我国稀土资源利用的特点是,一方面出口原料和粗产品;另一方面却在进口产品和精制品。因些,在我国开展稀土精细加工和稀土功能材料的研究,具有独特的意义,这

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TheCharacteristicandApplicationof

Rare-earthLuminescenceMaterials

CHAOTie-ping

(DepartmentofChemistry,BaichengNormalCollege,Baicheng137000,China)

Abstract:Thepaperpresentstheresearchfortherare-earthluminescencematerialsinrecentyears,and

introducesmainlythecharacteristics,thecompoundingmethod,theapplication,theproductionandtheprospectofrare-earthluminescencematerialsinChina.

KeyWords:rareearth;luminescencematerial;application

责任编辑:于秀斌

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