材料专业综合设计实验方案-材料-柴林林

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1、材料专业综合设计实验方案项目名称：熔盐法制备Ca2Al2SiO7:Dy3+荧光粉系 别：材料与化学工程系专业班级：材料工程技术2011级学 号：学生姓名：柴林林指导老师：陈林(副教授) 时 间: 2013年 9 月 20 日材料专业综合设计实验方案1 实验目的1）熟悉和掌握Ca2Al2SiO7:Dy3+荧光粉材料制备工艺过程及原理及性能测试与结构表征；2）理解熔盐法工艺因素对材料性质与结构的影响；3）培养学生的创新意识、创新能力、科学态度，使其具有较强动手实践能力、初步的科研开发能力和科技研究能力；4）培养学生综合设计实验的能力，提高分析问题、解决问题和动手能力，为学生毕业后从事材料生产与检测

2、奠定基础。2 实验内容2.1 引言白光LED1-3是固体照明的重要光源，它的发展不仅有利于社会和环境的可持续发展，而且还可以推动LED产业和相关产业的发展，提高我国照明产业的竞争力。由于激发源是短波紫外、长波紫外或蓝光发射的半导体，输出功率高，因此对发光材料性能会提出特定要求，而针对这些特定要求开展白光LED专用发光材料荧光粉的研究，无疑是一个新的研究课题。LED用荧光粉可分为有机材料和无机材料 。综合材料的制备、物理、化学及发光特性等因素后，无机材料荧光粉成为人们研究和应用的重点。传统的蓝光激发Ce3+钇铝石榴石荧光粉不耐高温，发生红移时发光功效也随之降低。为了获得低成本、高性能的LED，人

3、们断地研发新的基质荧光粉，主要包括硫化物、氮化物及氮氧化物、铝酸盐、钼酸盐、硅酸盐等。硫化物基质荧光粉由于发光亮度低、化学稳定性差、有一定毒性等因素，在实际应用中受到限制。以氮化物及氮氧化物为基质的荧光粉合成工艺较复杂、合成条件较苛刻，不适合工业化生产。铝酸盐体系荧光粉有烧成温度较高、抗湿性差、单相性基质难以制得等缺陷。钼酸盐体系荧光粉发光强度较弱，在很大程度上限制了其应用范围。硅酸盐作为荧光粉基质材料，具有良好的化学稳定性、热稳定性，烧结温度至少比铝酸盐体系低100等优点。而且，白光LED的硅酸盐体系荧光粉4-5能够被高效激发，发光亮度高，适合近紫外激发。因而，硅酸盐白光LED用荧光粉引起了

4、人们的高度关注。Ca2Al2SiO7具有黄长石结构，属于四方晶系，空间群为P21m，常用作发光材料的基质。Ca2Al2SiO7为基质的荧光粉的制备方法很多，目前主要的合成方法有：高温固相法、燃烧合成法6-8、水热合成法、溶胶-凝胶法等。通常，荧光粉的合成都采用高温固相法。该法合成的粉体发光效率高，但颗粒尺寸大，粒径分布不均匀且容易团聚，形貌难以控制。水热法、溶胶-凝胶法等软化学合成法虽然可以使原料混的更均匀，在一定程度上降低反应温度，且较容易控制荧光粉的形貌与尺寸，但是亮度损失较大。熔盐法9是一种新发展起来的无机材料合成方法，具有合成温度低、反应时间短、操作简单、粉体颗粒尺寸与形貌可控以及环境

5、污染小等特点 。本实验采用熔盐法制备Ca2Al2SiO7:Dy3+荧光粉，考察Dy3+的掺入量对Ca2Al2SiO7为基质的荧光粉发光性能的影响。并采用日立F-4600荧光光谱仪、Y2000X射线粉末衍射仪和日立SU8010扫描电镜对样品的发光性能、结构物相、样品的表面形貌和颗粒尺寸进行测试。2.2 实验原理2.2.1 实验仪器设备及原料实验仪器设备序号仪器名称规格要求1恒温干燥箱DHG-9248A2XRDY20003SEM日立SU80104电子天平AR21405箱式电阻炉AX2-5-126荧光光谱仪日立F-4600实验原料序号原料名称规格要求1Dy2O33N2CaCO3分析纯3HNO3分析纯

6、4Al(NO3)39H2O分析纯5C8H20O4Si(TEOS)分析纯6NaCl分析纯7C2H5OH(乙醇)分析纯8H3BO3分析纯9C6H8O7H2O分析纯2.2.2 制备方法原理熔盐法的基本原理是将结晶物质在高温下溶解于低熔点的熔融盐中，形成均匀的饱和溶液，然后通降温或蒸发熔剂等方法，形成过饱和溶液析出晶体。熔盐法的优点:（1）适用性很强，几乎对所有材料，都能找到一些适当的熔盐从中将其单晶生长出来。（2）可以明显的降低生长温度和缩短反应时间。（3）通过熔盐法可以更容易的控制粉体颗粒的形状和尺寸。此外，熔盐法在反应过程以及随后的清洗过程中，有利于杂质的清除，形成高纯的反应产物。这种方法的缺点

7、是在制备过程中不易观察生长现象，许多熔盐都具有不同程度的毒性，其挥发物还常常腐蚀或污染炉体。2.2.3 测试表征原理2.2.3.1物相组成测试（XRD）X-射线衍射分析是当今研究晶体结构、物相分析、晶粒集合和取向等问题的最有效的方法之一。X-射线衍射线的位置取决于晶胞的形状和大小，也即取决于各晶面的面间距，而衍射的相对强度则取决于晶胞内原子的种类、数目及排列方式。每种晶态物质都有其特有的结构，不是前者有异，就是后者有别，因而也就有其独特的衍射花样。当试样中包含两种或两种以上的结晶物质时，它们的衍射花样将同时出现，而不会相互干涉。于是当我们在待分析试样的衍射花样中，发现了和某种结晶物质相同的衍射

8、花样时，就可断定试样中包含着这种这种结晶物质。再则混合物中某相的衍射线强度取决于它在试样中的相对含量，因此，若测定了各种结晶物质的衍射线的强度比，还可以推算出它们的相对含量来，以上就是X-射线物相定量分析的理论依据。X-射线衍射仪（XRD）主要用来分析合成的Ca2Al2SiO7:Dy3+荧光粉的晶相组成。2.2.3.2扫描电子显微镜 （SEM）扫描电子显微镜是用聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像。试样为块状或粉末状颗粒，成像信号可以是二次电子、背散射电子或吸收电子。其中二次电子为最重要的成像信号。由电子枪发射的能量为5-35KeV的电子，以其交叉斑作为电子源，经二级聚光镜及物镜的缩小形成具有一定

9、能量、一定束流强度和束斑直径的微细电子束，在扫描线圈驱动下，于试样表面按一定时间、空间顺序作栅网式扫描。聚焦电子束与试样相互作用，产生二次电子发射，二次电子发射量随试样表面形貌而变化。二次电子信号被探测器收集转化成为电讯号，经视频放大后输入到显象管栅极，调制与入射电子束同步扫描的显像管的亮度，得到反映试样表面形貌的二次电子像。扫描电镜就是这样采用逐点成像的方法把样品表面的特征，按顺序、成比例的转换为视频传号完成一幅图像，从而使我们在荧光屏上观察到样品表面的各种特征图像。扫描电镜主要可以用来分析合成的Ca2Al2SiO7:Dy3+荧光粉的微区形貌、晶体结构和化学组成。2.2.3.3荧光光谱测试通

10、过扫描激发单色器以使不同波长的入射发样品，并让所产生的荧光通过固定波长的发射单色器而照射到检测器上，由检测器检测相应的荧光强度，由X-Y记录仪记录荧光强度对激发波长的关系曲线，即为激发光谱；通过保持激发光的波长和强度不变，让样品产生的荧光通过发射单色器后照射于检测器上，扫描发射单色器并检测各种波长所对应的荧光强度，由X-Y记录仪记录荧光强度对发射波长的关系曲线，即为发射光谱.(1)激发光谱激发光谱反映了合成Ca2Al2SiO7:Dy3+晶体所吸收的激发光波长中，哪些波长的光对材料的发光更有效.这对分析发光的激发过程很有意义，也为确定哪些波段范围内的激发光对材料的发光提供了更有效的直接依据。(2

11、)发射光谱发光材料的发光能量按波长的分布称作发射光谱。发射光谱的组成主要决定于发光中心的结构。光谱由多个发光带组成时，不同的发光带来源于不同的发光中心温度、激发光波长及强度都会影响发射光谱的变化。2.3 实验过程图1 Ca2xAl2SiO7:xDy3+荧光粉的制备流程图按目标产物Ca2xAl2SiO7:xDy3+的化学计量比，准确称量反应原料。将量取好的TEOS加入盛有适量无水乙醇和蒸馏水的坩埚中;将称量好的Al(NO3)39H2O、C6H8O7和H3BO3分别加入上述坩埚中;将称量好的Er2O3和CaCO3分别溶解到适量的1:1HNO3中,将溶解完全的Dy2O3和CaCO3分别加入上述坩埚中

12、,用超声波震荡至所有原料溶解完全;将试样放入烘箱中烘干；将烘干的试样放入箱式电阻炉中650点火燃烧；将燃烧后的试样倒入研钵中加入称量好的NaCl后充分研磨；将研磨好的试剂放入原坩埚中放入高温炉进行焙烧；将焙烧后的产物过滤洗涤除去残留熔盐,然后把产物置于120恒温干燥箱中干燥。最后用XRD分析物相，用激光粒度仪、SEM对粒度进行表征。具体流程如图1所示。3 工作计划序号时间段工作内容阶段性成果1第一周(2013年9月2日)第三周( 2013年9月22日)查找文献资料，制定实验方案实验准备：器材、药品文献资料、实验方案2第四周( 2013年9月23日)第十周( 2013年11月10日)实验操作实验

13、记录、实验数据3第十一周( 2013年11月11日)第十三周( 2013年12月1日)数据分析总结，撰写实验报告实验报告4 主要参考资料1 胡丹. 白光LED用硅酸盐Sr2-xBaxSiO4:nEu3+,mCe3+荧光粉制备和发光性能的研究D. 武汉：武汉理工大学，2010:1-61.2 陈永杰，李朗楷，肖林久，等. 用一步法合成 Ba0.905Ca0.845Mg0.25SiO4:xEu2+，yMn2+白光荧光粉及其发光性能J. 硅酸盐学报，2011,39 (6):908-912.3 宋恩海，赵韦人，豆喜华，等. Li2SrSiO4:Ce3+,Tb3+荧光粉的发光特性及Ce3+Tb3+的能量传

14、递J. 中国稀土学报，2012,30 (1):41-46.4 何洪. 硅酸盐基稀土发光材料的制备及其光谱特性与光谱调控D. 南京:南京航空航天大学，2010:1-152.5 张丁非，汤安，杨柳，等. 基于硅酸盐体系白光LED用荧光粉的研究现状J. 材料导报，2010, 24 (11):5-9.6 蔡进军. 稀土掺杂碱土硅酸盐基质荧光粉的制备及其光谱性能研究D. 广东江门:五邑大学，2011:1-66.7 姬同坤. (Sr,Ca)MgSi2O7:Eu2+,Dy3+长余辉发光材料的制备、结构与性能D. 武汉:武汉理工大学， 2008:1-59.8 王欣. 新型稀土多硅酸盐发光材料的凝胶-燃烧法制备及性能研究D. 河北：河北大学，2011:1-59.9 周胜平. 熔盐法合成荧光材料研究进展J. 辽宁华工， 2011,40(4):404-407.6 / 6文档可自由编辑打印