CN113429971B - 一种光学温度传感型荧光粉体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种适用于宽范围、高灵敏度的光学温度传感型荧光粉体，属于发光材料领域，其由下列摩尔百分比的材料制备而成：CsX 30～40mol%、NaX 14～22mol%、BiX3 15～23mol%、YbX3 10～40mol%、ErX3 1～5mol%；该荧光粉能被近红外光（980nm）有效激发出不同波段的可见光发射，且温度对于不同波段的可见光发射强度及其之间的比值有着很大的影响，经测试在100K至573K内该比值对温度高度敏感；本发明产品性能优异，制备工艺简单，适用于工业化生产和市场推广应用。

Description

一种光学温度传感型荧光粉体及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种适用于宽范围、高灵敏度的光学温度传感型荧光粉体及其制备方法，属于发光材料领域。
背景技术
温度是最重要的物理参数之一，其传感在工业和科学领域有着广泛的应用。常规温度计不能用于特殊条件(如强酸性或亚微米级)，并且由于直接接触的模式而使灵敏度较低，同时受到响应时间和空间分辨率的限制，这种测温方法的缺点越来越明显。与基于热膨胀和塞贝克效应的传统类型的温度计不同，光学温度传感器具有在电磁辐射或其他恶劣环境中远程、无创测量温度的优势。在光学温度计中，基于稀土离子的发光温度计在最近几十年得到了深入的研究。基于发光强度、发射带宽、荧光寿命和发光强度比等特性的各种光学温度传感方法已被用于稀土离子掺杂的荧光粉体测量温度。
在这些光学测量中，发光强度比技术被认为是最有前途的方法之一。不仅因为它可以避免活化剂含量、荧光损失和激发光波动等外部因素的影响。并且发光强度比测温具有明显的优势，如响应时间快、灵敏度高，温度和空间分辨率高等特点。此外，由于其为非接触测温，因此兼具有以下优点：测量环境不受感温元件耐温程度的限制，因而对可测温度及可测范围在原则上没有限制。
尽管理论上光学温度传感技术较传统测温技术具有很大的优势，但是目前所发展的这类荧光粉的温度探测范围依旧较窄，且温度探测灵敏度较低。
发明内容
本发明通过选择基质晶体结构和掺杂离子，采用高温固相法合成了一种可以被近红外光激发，并在100K至573K内，荧光强度比显示出很大差异，进而表现出不同颜色可见光发射的发光材料，本发明粉体具有应用范围宽，温度探测灵敏度高等特点；在要求宽范围、高灵敏度的温度传感技术上拥有广阔的应用价值。
本发明适用于宽范围、高灵敏度的光学温度传感型荧光粉体由下列摩尔百分比的材料制备而成：
CsX                    30～40mol%；
NaX                    14～22mol%；
BiX3                   15～23mol%；
YbX3                   10～40mol%；
ErX3                   1～5mol%；
其中，CsX为CsF、CsCl、CsBr、CsI中的一种或几种；NaX为NaF、NaCl、NaBr、NaI中的一种或几种；BiX3为BiF3、BiCl3、BiBr3、BiI3中的一种或几种；YbX3为YbF3、YbCl3、YbBr3、YbI3中的一种或几种；ErX3为ErF3、ErCl3、ErBr3、ErI3中的一种或几种。
本发明还提供了上述光学温度传感型荧光粉体的制备方法，即将上述原材料按比例精确称量好后混合，混合粉末先置于玛瑙研钵内干磨10～30min，接下来将研磨后的物料转移至刚玉坩埚内，放入高温烧结炉内于300～900℃下保温2~10h，以1～10℃/min的速度冷却到室温，取出后研磨10～30min，即得到光学温度传感型荧光粉体。
本发明荧光粉体的性能表现具体是，在近红外光激发下，样品具有三个特征的可见光发射峰分别位于526nm、550nm、660nm，均对温度高度敏感；使用其中两个发射峰的荧光强度比值作为温度的函数，可以得到在100K至573K宽范围下的高灵敏度的光学温度传感材料。
附图说明
图1为本发明实施例1荧光粉体材料于室温下在980nm激光激发下的光致发光图；
图2为本发明实施例1荧光粉体材料于303K至573K温度下在980nm激光激发下的变温光致发光（左图）及归一化变温光致发光图（右图）；
图3为本发明实施例1荧光粉体材料于100K至303K温度下在980nm激光激发下的变温光致发光（左图）及归一化变温光致发光图（右图）；
图4为本发明实施例1荧光粉体材料于100K至573K温度下在980nm激光激发下的温度探测灵敏度；
图5为本发明实施例1荧光粉体材料于100K至573K温度下在980nm激光激发下的循环测温性能；
图6为本发明实施例2荧光粉体材料于303K至573K温度下在980nm激光激发下的变温光致发光图；
图7为本发明实施例3荧光粉体材料于303K至573K温度下在980nm激光激发下的变温光致发光图；
图8为本发明实施例4荧光粉体材料于303K至573K温度下在980nm激光激发下的变温光致发光图。
具体实施方式
下面将结合实施例进一步阐释本发明的内容，但这些实例并不限制本发明的保护范围。
实施例1
本实施例光学温度传感型荧光粉体是按如下比例称取CsCl 30mol%、NaCl16mol%、BiCl3 16mol%、YbCl3 33mol%、ErCl3 5mol%原料，混合后置于玛瑙研钵内干磨10min，将研磨后的物料转移至刚玉坩埚内，放入570℃的高温烧结炉中，烧结6h，最后以10℃/min的速度冷却到室温，研磨10min即得光学温度传感型荧光粉体；
在室温条件下，使用980nm激光照射本实施例制得的荧光粉体，采用日立F-7000荧光分光光度计测定其光致发光结果见图1，从图中可以看出该荧光粉体在可见光区域内存在位于526nm、550nm、660nm的荧光发射峰，且其相对强度不同。
使用东方科捷300℃高温荧光分析仪将本实施制得的荧光粉体从303K升温至573K，升温过程中使用980nm激光照射本实施制得的荧光粉体，并采用日立F-7000荧光分光光度计检测其变温光致发光，结果见图2，从图中可以看出从303K至573K升温过程中，荧光粉体发射峰的强度有着很大的变化，且它们的相对强度随着温度变化有着很大的变化，表明在该温度范围内其具有优异的温度探测性能。
使用液氮将本实施制得的荧光粉体降温至100K，随后在升温至303K的过程中使用980nm激光照射本实施制得的荧光粉体，采用爱丁堡-稳态/瞬态荧光光谱仪FLS980检测其变温光致发光，结果见图3，从图中可以看出从100K至303K升温过程中，荧光粉体发射峰的强度有着很大的变化，且它们的相对强度随着温度变化有着很大的变化，表明在该温度范围内其具有优异的温度探测性能。
将图2及图3的数据进行整合后，得到本实施制得的荧光粉体的温度灵敏度，结果见图4，从图中可以看出该粉体的荧光强度比值随着温度有着很大的变化，可以据此对该宽范围下的温度进行高灵敏度的测试。
使用东方科捷300℃高温荧光分析仪将本实施制得的荧光粉体从303K升温至573K，过程中使用980nm激光照射本实施制得的荧光粉体，并采用日立F-7000荧光分光光度计检测其变温光致发光，检测本实施制得的荧光粉体的循环测温性能，结果见图5，从图中可以看出该荧光粉体在500个升降温循环过程中，其测温性能始终优异。
实施例2
本实施例光学温度传感型荧光粉体是按如下比例称取CsBr 39mol%、NaI 20mol%、BiBr320mol%、YbBr3 20mol%、ErBr3 1mol%原料，混合后置于玛瑙研钵内干磨25min，将研磨后的物料转移至刚玉坩埚内，放入350℃的高温烧结炉中，烧结10h，最后以5℃/min的速度冷却到室温，研磨5min即得光学温度传感型荧光粉体；
使用东方科捷300℃高温荧光分析仪将本实施制得的荧光粉体从303K升温至573K，过程中使用980nm激光照射本实施制得的荧光粉体，并采用日立F-7000荧光分光光度计检测其变温光致发光，结果见图6，从图中可以看出从303K至573K升温过程中，荧光发射峰的强度随着温度变化发生一定的变化，说明其对于温度具有一定的灵敏度。
实施例3
本实施例光学温度传感型荧光粉体是按如下比例称取CsF 35mol%、NaCl 18mol%、BiF323mol%、YbI3 21mol%、ErF3 3mol%原料，混合后置于玛瑙研钵内干磨20min，将研磨后的物料转移至刚玉坩埚内，放入700℃的高温烧结炉中，烧结2h，最后以2℃/min的速度冷却到室温，研磨20min即得光学温度传感型荧光粉体；
使用东方科捷300℃高温荧光分析仪将本实施制得的荧光粉体从303K升温至573K，过程中使用980nm激光照射本实施制得的荧光粉体，并采用日立F-7000荧光分光光度计检测其变温光致发光，结果见图7，从图中可以看出从303K至573K升温过程中，荧光发射峰的强度随着温度变化发生一定的变化，说明其对于温度具有一定的灵敏度。
实施例4
本实施例光学温度传感型荧光粉体是按如下比例称取CsI 38mol%、BiBr3 23mol%、YbI3 35mol%、ErCl3 4mol%原料，混合后置于玛瑙研钵内干磨20min，将研磨后的物料转移至刚玉坩埚内，放入700℃的高温烧结炉中，烧结2h，最后以5℃/min的速度冷却到室温，研磨20min，即得光学温度传感型荧光粉体；
使用东方科捷300℃高温荧光分析仪将本实施制得的荧光粉体从303K升温至573K，过程中使用980nm激光照射本实施制得的荧光粉体，并采用日立F-7000荧光分光光度计检测其变温光致发光，结果见图8，从图中可以看出从303K至573K升温过程中，荧光粉体发射峰的强度变化较实施例1、2、3中减弱了很多，随着温度变化很小，说明其对于温度的灵敏度很低。

Claims (4)

1.一种光学温度传感型荧光粉体的制备方法，其特征在于: 称取CsCl 30mol%、NaCl16mol%、BiCl3 16mol%、YbCl3 33mol%、ErCl3 5mol%原料，混合后置于玛瑙研钵内干磨10min，将研磨后的物料转移至刚玉坩埚内，放入570℃的高温烧结炉中，烧结6h，最后以10℃/min的速度冷却到室温，研磨10min即得光学温度传感型荧光粉体。
2.一种光学温度传感型荧光粉体的制备方法，其特征在于: 称取CsBr 39mol%、NaI20mol%、BiBr3 20mol%、YbBr3 20mol%、ErBr3 1mol%原料，混合后置于玛瑙研钵内干磨25min，将研磨后的物料转移至刚玉坩埚内，放入350℃的高温烧结炉中，烧结10h，最后以5℃/min的速度冷却到室温，研磨5min即得光学温度传感型荧光粉体。
3.一种光学温度传感型荧光粉体的制备方法，其特征在于: 称取CsF 35mol%、NaCl18mol%、BiF3 23mol%、YbI3 21mol%、ErF3 3mol%原料，混合后置于玛瑙研钵内干磨20min，将研磨后的物料转移至刚玉坩埚内，放入700℃的高温烧结炉中，烧结2h，最后以2℃/min的速度冷却到室温，研磨20min即得光学温度传感型荧光粉体。
4.一种光学温度传感型荧光粉体的制备方法，其特征在于: 称取CsI 38mol%、BiBr3 23mol%、YbI3 35mol%、ErCl3 4mol%原料，混合后置于玛瑙研钵内干磨20min，将研磨后的物料转移至刚玉坩埚内，放入700℃的高温烧结炉中，烧结2h，最后以5℃/min的速度冷却到室温，研磨20min，即得光学温度传感型荧光粉体。
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