硅酸鍶鎂熒光粉的表面包覆

黃志良，夏浩孚，王宏全，胡名衛(wèi)，詹 剛，夏俊杰，李 波，張占輝

（武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引 言

硅酸鍶鎂熒光粉（Sr2MgSi2O7：Eu2＋，Dy3＋）作為一種新型硅酸鹽發(fā)光材料，具有熒光強(qiáng)度高、余輝時(shí)間長、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐水性強(qiáng)、無放射性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛的應(yīng)用于公路的各種標(biāo)識牌、警示牌、建筑物等以及具有發(fā)光性能的涂料和工藝品等［1－2］．但是，Sr2MgSi2O7：Eu2＋，Dy3＋熒光粉仍具有分散性差、表面缺陷、耐高溫性差等不足之處，限制了其應(yīng)用范圍［1－3］．隨著溫度的升高，Sr2MgSi2O7：Eu2＋，Dy3＋熒光粉的發(fā)光強(qiáng)度逐漸降低，在900℃時(shí)，其發(fā)光強(qiáng)度微弱甚至失去發(fā)光性能．研究表明，在其表面包覆一層均勻、致密的氧化物膜層，在盡量降低光衰的前提下，其耐熱性有一定的提高［4－5］．

1 實(shí) 驗(yàn)

1．1 實(shí)驗(yàn)原理與過程

異丙醇鋁通過溶膠凝膠法在水中水解生成Al OOH 溶膠［6］，覆蓋在 Sr2MgSi2O7：Eu2＋，Dy3＋熒光粉表面，經(jīng)過一定溫度熱處理后，得到包覆后的樣品．其包覆工藝流程如圖1所示．

圖1 包覆工藝流程圖Fig．1 Flow diagram of coating process

按照一定的異丙醇鋁和水配比（n異丙醇鋁∶n水＝1∶100）準(zhǔn)確稱量和量取異丙醇鋁和水于燒杯中溶解，加入一定量的乙醇（10 m L）后超聲分散，在80℃恒溫水浴條件下攪拌，緩慢滴加一定配比的硝酸和水（n酸∶n水＝1∶100）的混合液，反應(yīng)一段時(shí)間，加入熒光粉混合攪拌，抽濾，干燥，熱處理（500℃）得到包覆后的樣品．其不同包覆量的原料配比如表1所示．

1．2 分析方法

用XD－5A型粉晶X射線衍射儀測試包覆前后樣品的晶體結(jié)構(gòu)和物相，測試包覆前后樣品的表面形貌用JSM－5510LV型掃描電子微鏡，用瓦里安Cary Eclipse型熒光光譜儀檢測樣品的發(fā)射光譜和激發(fā)光譜，用ST－86LA屏幕亮度儀測試樣品的余輝性能．

表1 不同包覆量的原料配比Table 1 Ratio of different coating amount

2 結(jié)果與分析

2．1 XRD表征

圖2為包覆前后的XRD圖，由圖2可知，包覆前后樣品的XRD圖片峰形完全一致，且與標(biāo)準(zhǔn)卡片PDF15－0016（Sr2MgSi2O7）的峰形也一致，只是強(qiáng)度稍微降低．說明包覆后沒有改變熒光粉的晶體結(jié)構(gòu)，且包覆后沒有出現(xiàn)Al2O3的特征衍射峰，可能的原因是包覆反應(yīng)生成的是非晶態(tài)的Al2O3，或是生成晶態(tài)Al2O3的量非常小，XRD檢測不出來．由于表面包覆氧化物后，對光的吸收和阻礙作用，使包覆后的強(qiáng)度低于未包覆樣品的強(qiáng)度．

圖2 包覆前后熒光粉的XRD圖Fig．2 XRD patterns of uncoated and coated phosphor

2．2 SEM 表征

Sr2MgSi2O7：Eu2＋，Dy3＋熒光粉包覆前后的掃描電鏡圖見圖3．其中，圖3（a）為包覆前的樣品，即包覆量為0，圖3（b）為包覆后的樣品，其包覆量為8%．

圖3 包覆前后的掃描電鏡圖Fig．3 SEM of uncoated and coated phosphor

由圖3可知，包覆前發(fā)光粉表面光滑，邊緣呈不規(guī)則狀，棱角分明．包覆后粉體表面變得粗糙，明顯有一層致密完整的沉積物，正是由于這層膜使得發(fā)光粉具有了良好的耐水性，而且沒有鋁溶膠的小球狀自成核顆粒，也沒有絨毛狀無定形鋁溶膠的縮聚物．包覆層可以修飾發(fā)光粉表面，消除棱角，有利于改善熒光粉的流動(dòng)性和應(yīng)用性能．部分包覆顆粒存在包覆堆積現(xiàn)象，即包覆層較厚，這主要是因?yàn)榉磻?yīng)時(shí)包覆量過大．

2．3 發(fā)光性能測試

未包覆的Sr2MgSi2O7：Eu2＋，Dy3＋長余輝熒光粉的發(fā)射光譜見圖4，激發(fā)波長λex＝349 nm．

圖4 熒光粉的發(fā)射光譜圖Fig．4 Emission spectra of phosphor

未包覆的Sr2MgSi2O7：Eu2＋，Dy3＋長余輝熒光粉的激發(fā)光譜見圖5，發(fā)射波長λem＝466 nm．

圖5 熒光粉的激發(fā)光譜圖Fig．5 Excitation spectra of phosphor

由圖4、圖5可知，包覆前后發(fā)光粉的激發(fā)和發(fā)射曲線形狀基本沒有發(fā)生改變，熒光粉的發(fā)射光譜由一個(gè)連續(xù)分布于400～600 nm的寬發(fā)射帶組成，峰值位于466 nm附近，激發(fā)光譜同樣由一個(gè)連續(xù)分布于250～450 nm的寬激發(fā)帶組成，該發(fā)射帶和激發(fā)帶都屬于Eu2＋的4f7→4f65d1特征躍遷［7］．說明包覆后沒有改變熒光粉的晶體結(jié)構(gòu)，且對發(fā)光性能沒有太大的影響，相對未包覆樣品，強(qiáng)度降低約10%．

2．4 余輝性能測試

將不同包覆量的樣品進(jìn)行余輝亮度測試，結(jié)果見圖6．

圖6 不同包覆量的余輝衰減曲線Fig．6 Afterglow decay curve of different coating amount

如圖6所示，包覆后的Sr2MgSi2O7：Eu2＋，Dy3＋熒光粉的余輝性能劣于未包覆熒光粉樣品，表現(xiàn)為停止激發(fā)后起始余輝亮度低于未包覆熒光粉，且余輝衰減曲線位于未包覆熒光粉的下方．隨著包覆量的增加，樣品的初始亮度呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢．當(dāng)包覆量為8%時(shí)，亮度下降最小，相對情況下，視為最佳的包覆量．上述現(xiàn)象出現(xiàn)的原因可能為包覆膜層對光具有吸收和阻礙作用，從而影響了熒光粉的發(fā)光性能．

2．5 熱穩(wěn)定性測試

將未包覆和包覆后的熒光粉分別進(jìn)行500℃、800℃、900℃熱處理，然后進(jìn)行余輝衰減測試，得到不同溫度處理的余輝衰減曲線，如圖7所示．

圖7 不同溫度熱處理的余輝衰減曲線Fig．7 Afterglow decay curve of different heat treatment

由圖7可知，隨著熱處理溫度的上升，未包覆和包覆后的樣品的發(fā)光強(qiáng)度呈現(xiàn)下降的趨勢，原因可能是隨著溫度的升高，熒光粉基質(zhì)中的Eu2＋緩慢氧化為Eu3＋［8］，導(dǎo)致強(qiáng)度逐漸下降．圖中，未包覆樣品的強(qiáng)度隨溫度上升下降的幅度較大，甚至失去發(fā)光性能，而包覆后的樣品的強(qiáng)度下降稍微小些，未包覆樣品的亮度衰減值為0．33，包覆樣品的亮度衰減值為0．13．由此可知，包覆后的樣品由于表面覆蓋了一層均勻、致密和牢固的氧化物層，雖然在溫度上升過程中Eu2＋緩慢氧化為Eu3＋，但是抑制了衰減過程，從而延長了余輝時(shí)間，說明在熒光粉表面包覆一層氧化物能夠起到提高其熱穩(wěn)定的目的．

3 結(jié) 語

采用異丙醇鋁作為原料，用溶膠凝膠法成功制備了Al2O3包覆的Sr2MgSi2O7：Eu2＋，Dy3＋熒光粉，并對其進(jìn)行了XRD、SEM、發(fā)光性能測試、余輝測試以及熱穩(wěn)定測試，分析了不同的包覆量對其及余輝性能的影響，確定了較為合適的包覆量為8%．包覆后樣品的發(fā)光強(qiáng)度略低于未包覆樣品的強(qiáng)度，強(qiáng)度降低約10%，光譜曲線位于未包覆樣品的下方，且余輝性能也劣于未包覆樣品．熱穩(wěn)定測試表明，包覆后樣品的熱穩(wěn)定有一定的提高．未包覆樣品的初始亮度衰減過程為0．34→0．32→0．1，包覆后樣品的衰減過程為0．3→0．29→0．17，說明包覆提高了熒光粉的耐熱性能．

致謝

論文的研究工作得到了武漢工程大學(xué)無機(jī)非實(shí)驗(yàn)室研究組的大力支持，在此表示衷心的感謝！

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