CN100500796C - 机械发光材料及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种机械发光材料，包括通式SrM1Al6O11(式中的M1为碱土金属)或SrM2Al3O7(式中的M2为稀土金属)表示的含有锶和铝的复合金属氧化物的基质，以及还含有作为发光中心的选自稀土金属或过渡金属的一种金属，当受到机械能量激发的载体返回基态时该金属能够发光。

Description

机械发光材料及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种新颖的受到外部机械力时能发光的机械发光材料及其制备的方法。
背景技术
迄今为止众所周知的是，当物质受到来自外部的刺激而在较低温度下(例如室温)发出可见光或可见光区域邻近的光的现象，称之为所谓的荧光现象。这样的能够产生荧光现象的物质，或者即荧光物质，用于照明灯例如荧光灯等和显示器例如CRT(阴极射线管)或者即所谓的布劳恩管等。
产生荧光现象的外部刺激一般为紫外光、电子束、辐射(例如X-射线)、电场、化学反应和其它物质，但对于当材料受到机械外力等作用时能够发光的现象，人们尚未作过调查研究。
本发明人以前曾经提议研究一种高亮度的压力发光材料，其组成是这样的一种物质，其由具有非化学计量的组合物和具有晶格缺陷的铝酸盐形成，当受到机械能量激发的载体返回基态时能发光，或者是这样的一种物质，其含有(在上述基质物质中)稀土金属离子或过渡金属离子作为发光中心的中心离子(日本专利公开第2001-49251号公报)，和一种基质材料为Y2SiO5、Ba3MgSiO6或BaSi2O5的发光材料(日本专利公开第2000-313878号公报)。这些发光材料并不适用于实际应用，因为它们尚不具有足够的发光强度，以及另外还限制所用基质材料的范围，从而其应用领域也必然受到限制。
发明内容
本发明就是通过采用不同于传统发光材料的基质材料，在实现发光强度增加和应用领域扩大的目的的这些情况下完成的。
为了开发一种基质材料不同于现有技术的机械发光材料的新颖机械发光材料，本发明人已经进行了广泛的研究，结果发现，新颖的机械发光材料可以通过包含几种具有很高发光强度的材料、采用某些含有锶和铝的复合金属氧化物作为基质材料、掺杂特定种类的金属离子作为发光中心来得到，在这个发现的基础上导致了本发明的完成。
也就是说，本发明提供一种机械发光材料，其特征在于基质材料是由下面的通式表示的含有锶和铝的复合金属氧化物
SrM1A16O11       (I)
(式中的M1为包括锶的碱土金属)或者
SrM2Al3O7        (II)
(式中的M2为稀土金属)
以及发光中心是一种金属离子，其选自稀土金属或过渡金属，当其受到机械能量激发的载体返回基态时能够发光，以及提供一种机械发光材料制备的方法，包括下列步骤：将相应于用上述通式(I)或(II)表示的含有锶和铝的复合金属氧化物的各个组分金属的盐或氧化物的粉末与受到机械能量和一种熔剂(flux)激发的载体在返回基态时能够发光的特定稀土金属或过渡金属的一种金属盐或氧化物以占0.0001mol％—20mol％(根据金属原子计算)的比例混合和掺混；以及将由此得到的混合物在400℃—1800℃下在还原气氛中进行煅烧以实现发光中心的掺杂。
附图说明
图1表明当机械作用力施加到机械发光材料上时发光强度与衰减时间的函数关系，以本发明实施例1作为例子。
图2表明发光强度与施加到发光材料上的负荷之间的关系，以本发明实施例1作为例子。
实施本发明的最佳方式
下面将详细描述本发明。
在本发明的机械发光材料中，含有锶和铝形成基质材料的复合金属氧化物具有上述通式(I)或(II)表示的组合物。通式(I)中的碱土金属(如M1)优选为Ba、Ca、Sr或Mg。
另外，稀土金属(如M2)的例子包括La、Y、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu，其中La和Y是特别优选的。在这些通式(I)和(II)中M1和M2可以是单一种类，也可以是两种或多种的组合。
由于可以有效地得到高的发光强度，在通式(I)所表示的复合金属氧化物中优选为Sr2Al6O11、SrMgAl6O11、SrCaAl6O11和SrBaAl6O11，以及在通式(II)所表示的复合金属氧化物中优选为SrLaAl3O7、SrCeAl3O7、SrPrAl3O7、SrNdAl3O7、SrSmAl3O7、SrGdAl3O7和SrYAl3O7。在上述的由通式(II)表示的复合金属氧化物中特别优选为SrLaAl3O7和SrYAl3O7。
其次，特定的稀土金属或过渡金属离子可以是当受到机械能量激发的载体返回基态时能够发光的任何金属离子，并没有特别的限制。
稀土金属离子可以举例为，例如Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、(Pm)、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu，而过渡金属除了稀土金属之外可以举例为，例如Ti、Zr、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Nb、Mo、Ta、W等等。
这些金属可以单独作为发光中心，或者也可以两种或多种的组合来作为发光中心。
取决于基质材料的结晶结构的不同，最适宜于作为发光中心的金属是不同的。例如，当基质材料是Sr2Al6O11、SrMgAl6O11、SrLaAl3O7或SrYAl3O7时，最优选为Eu；而当基质材料是SrCaAl6O11时，最优选为Ce。
基质材料以占0.0001mol％—20mol％(通过金属原子计算)的比例含有一种稀土金属或一种过渡金属是很有必要的。当这个含量小于0.0001mol％时，发光强度不能得到足够的改进，而当超过20mol％时，基质材料的结晶结构不能保持，导致发光效率的降低。优选含量在0.1mol％—5.0mol％的范围之间。
本发明机械发光材料的制备，例如可以是通过将能够按相应于通式(I)或(II)中各成分的比例形成这些通式表示的复合金属氧化物的各个组分的盐或氧化物的掺混粉末，和5％—20％质量份的一种熔剂例如硼酸一起，与稀土金属或过渡金属的一种盐或氧化物以0.0001mol％—20mol％(根据金属元素计算)的比例或者优选为以0.1mol％—5.0mol％的比例进行混合和掺混，并随后在400℃—1800℃下或者优选为在800℃—1500℃下在还原气氛中煅烧来进行掺混从而实现发光中心的掺杂。在这种情况下的还原气氛包括氢气和一种惰性气体(例如氦、氩和氖)的气体混合物的气氛。煅烧时间一般在1小时一10小时范围之间。
在这种情况下，能够形成复合金属氧化物的各个组分金属的盐或氧化物举例为，例如Sr、Ca、Ba、Mg、La和Y的碳酸盐、硝酸盐、氯化物、醋酸盐等等，以及这些金属或Al的氧化物。作为发光中心的稀土金属或过渡金属的盐类举例为，例如硝酸盐和氯化物。
以这种方式得到的本发明机械发光材料的发光强度的趋势通常是施加的机械作用力越大，发光强度越高，纵然是取决于作为激发源的机械作用力。因此，有可能通过测量发光强度而得到施加到发光材料上的机械作用力，从而可对材料上所负荷的压力作出非接触式的检测。
关于本发明的机械发光材料，可以通过在基础材料的表面形成含有相同组成的涂层来制备一种层状材料。
尽管关于该基础材料没有特别的限制，但这样的材料包括的例子有石英、硅、石墨、塑料、金属、水泥等等。
下面，将通过实施例更详细地说明本发明，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
一种机械发光材料制备如下：将平均粒径为约10μm的粉末状的SrCO3、MgCO3和Al2O3，按相应于SrMgAl6O11作为基质材料的比例进行掺混，再加入作为熔剂的20mol％的硼酸(平均粒径10μm)和0.5mol％的(根据金属元素计算)Eu2O3粉末进行彻底掺混以得到发光中心，随后将得到的掺混物在1300℃下在含有5％体积氢气的氩气气氛中煅烧4小时。
其次，用环氧树脂作为粘接剂对该机械发光材料制粒来制备样品。
采用一虎钳向该样品施加150N的机械力，发光强度随时间的变化如图1所示。该样品发出的绿光强度足以用肉眼清楚地识别。最高的发光强度如表1所示。
其次，对施加不同负荷的该样品的发光情况进行观察，以检测压力相关性。结果如图2所示。
从该图上可以理解到，发光强度取决于压力，并随负荷增大而增大。从这个事实可以理解到施加的压力值可以通过测量发光强度来估计。
对比例
除了省去Eu2O3粉末之外，用与实施例1完全相同的条件制备机械发光材料，并测量其最高的发光强度。结果如表1所示。
实施例2—4
通过采用如表1所示的基质材料，以与实施例1相同的方法制备用Eu作为中心的机械发光材料。测量其最高的发光强度，结果如表1所示。
 
基质材料 发光中心 发光强度(cps)
实施例1 SrMgAl<sub>6</sub>O<sub>11</sub> Eu 24990
实施例2 Sr<sub>2</sub>Al<sub>6</sub>O<sub>11</sub> Eu 9787
实施例3 SrLaAl<sub>3</sub>O<sub>7</sub> Eu 28694
实施例4 SrYAl<sub>3</sub>O<sub>7</sub> Eu 4611
对比例 SrMgAl<sub>6</sub>O<sub>11</sub> 无 91
从该表可以理解，掺入一种金属作为发光中心，可以显著提高发光强度。
工业实用性
根据本发明，可以得到一种新颖的机械发光材料，其在受到机械外力例如摩擦力、剪切力、冲击力、压缩力等的作用时能够有效地发光。在上述机械外力作用下，通过材料本身发光可实现将该外力直接转化为光，从而可预期其具有广泛的应用范围，包括能用作非常新颖的发光器件等。

Claims (2)

1.机械发光材料，其特征在于基质材料是下面通式表示的含有锶和铝的复合金属氧化物
SrM2Al3O7
式中的M2为La或Y，
以及发光中心是Eu，其中Eu在基质材料中的比例按金属原子计算为0.0001mol％—20mol％。
2.制备机械发光材料的方法，其特征在于：向相应于通式
SrM2Al3O7
式中的M2为La或Y，
表示的含有锶和铝的复合金属氧化物的比例的各个组分金属的盐或氧化物的粉末中，添加按金属原子计算占0.0001mol％—20mol％比例的Eu的盐或氧化物，并混合，随后在400℃—1800℃下在还原气氛中进行煅烧以实现发光中心的掺杂，在所述的复合金属氧化物中铝的原料为铝的氧化物，其它金属元素的原料为各个金属元素的盐或氧化物。
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