硅酸盐长余辉发光材料及其制备方法与流程

本发明属于长余辉发光材料技术领域，涉及经紫外光或可见光照射后，可发出持续青色长余辉的硅酸盐长余辉发光材料；本发明还涉及长余辉该发光材料的制备方法。

背景技术：

自从20世纪初发现长余辉现象以来，长余辉材料的研究取得了长足进展。目前研究的可见光长余辉体系主要有金属硫化物、硫氧化物、铝酸盐、硅酸盐、磷酸盐和钛酸盐等。金属硫化物体系它的显著特点是发光颜色丰富，可覆盖从蓝色到红色的发光区域，但它的缺点是在空气中容易分解，稳定性差，余辉初始亮度低，余辉时间短，因此其用途受到一定限制。九十年代以来，发明了铝酸盐体系的长余辉发光材料，其中SrAl₂O₄:Eu²⁺,Dy³⁺为代表，其特点是发光亮度高，余辉性能优良，化学稳定性好，但是铝酸盐体系的长余辉发光材料也存在着明显的遇水不稳定、发光颜色不丰富等缺点。随着长余辉发光材料技术的发展，针对这些缺点，以硅酸盐为基质的发光材料由于具有良好的化学稳定性、发光颜色多、原料来源丰富且价廉而受到人们的重视。专利《硅酸盐长余辉发光材料及其制造方法》（专利号ZL98105078.6，公告号CN1062581C，公告日2001.02.28）公开了一种硅酸盐长余辉发光材料及其制造方法，该发光材料包含的主要化合物为M₂MgSi₂O₇或Mg₃Si₂O₈（M为钙、锶、钡）；专利申请《一种黄色硅酸盐长余辉发光材料及其制备方法》（公开号CN201610213306.4，公开日 CN105778898A，公开日日 2016.07.20）公开的黄色硅酸盐长余辉发光材料的余辉时间只有8min左右，与铝酸盐长余辉材料相比余辉时间较短，限制了该材料的应用。

技术实现要素：

为了克服铝酸盐体系长余辉发光材料的遇水不稳定及发光颜色不丰富的不足之处，本发明提供了两种余辉强度高、余辉时间长、耐水性和稳定性优良、制备工艺简单、成本低廉、无污染的硅酸盐长余辉发光材料及其制备方法，具有十分重要的意义。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种硅酸盐长余辉发光材料，化学表达式为Ba_1-x-yZrSi₃O₉: Eu_x, R_y以及Ba_1-x-yHfSi₃O₉: Eu_x, R_y，其中，0＜x≤0.05，0＜y≤0.05；R=Tb、Ce、Dy、Tm、Nd、Gd、Y、Er、La、Pr、Sm、Yb、Lu或Ho中的一种或多种。

本发明所采用的另一个技术方案是：一种上述硅酸盐长余辉发光材料的制备方法，具体按以下步骤进行：

步骤1：按该硅酸盐长余辉发光材料化学表达式中各化学组成的化学计量比分别称取以下原料：

BaCO₃或Ba(NO₃)₂中的一种，

ZrO或Zr(NO₃)₄·5H₂O中的一种，

H₂SiO₃或SiO₂中的一种，

Eu₂O₃，

Tb₄O₇、CeO₂、Dy₂O₃、Tm₂O₃、Nd₂O₃、Gd₂O₃、Y₂O₃、Er₂O₃、La₂O₃、Pr₆O₁₁、Sm₂O₃、Yb₂O₃、Lu₂O₃或Ho₂O₃中的一种或多种元素，

将所取各原料混合研磨至微米级，制得原料粉末；

步骤2：将步骤1制得的原料粉末，在空气气氛下预烧结1～10小时，预烧结温度300～1000℃，得混合物；

步骤3：待步骤2的混合物自然冷却后研磨均匀，再在还原气氛中高温煅烧，高温煅烧温度为1200℃～1500℃，高温煅烧时间为4～12小时；

步骤4：煅烧后的粉末随炉冷却至室温，得煅烧物；

步骤5：将步骤4得到的煅烧物进行研磨，制得青色长余辉发光材料。

与现有技术相比，本发明制备方法的优点在于：

1、使用BaZrSi₃O₉和BaHfSi₃O₉作为发光材料基质, 本发明所提供的以硅酸盐为基质、使用二价铕离子(Eu²⁺)作为发光激活剂，其他三价稀土离子作为辅助激活剂的两种高性能长余辉发光材料，与其它硫化物、氯硅酸盐等为基质材料的长余辉材料相比，本发明基质材料的制备过程没有任何污染，且合成方法简单、效率高，无废水废气排放，环境友好，尤其适合连续化生产。

2、该工艺能在普通设备完成，操作简单，烧结温度比铝酸盐体系低100～300℃以上，节能效果明显,

3、采用本发明方法制备的硅酸盐长余辉材料相对于铝酸盐长余辉材料具有良好的化学稳定性和热稳定性，遇水稳定。

附图说明

图1是实施例1制得BaZrSi₃O₉:Eu,Pr材料的XRD谱图。

图2是实施例1制得BaZrSi₃O₉:Eu,Pr材料的激发和发射光谱图。

图3是实施例1制得BaZrSi₃O₉:Eu,Pr材料紫外灯激发10秒后的热释光谱。

图4是实施例1制得BaZrSi₃O₉:Eu,Pr材料紫外灯激发10分钟后的余辉衰减曲线图。

图5是实施例2制得BaHfSi₃O₉:Eu,Pr材料的XRD图谱。

图6是实施例2制得BHfSi₃O₉:Eu,Pr材料的激发和发射光谱图。

图7是实施例2制得BaHfSi₃O₉:Eu,Pr材料紫外灯激发10秒后的热释光谱。

图8是实施例2制得BaHfSi₃O₉:Eu,Pr材料紫外灯激发10分钟后的余辉衰减曲线图。

图9是实施例3制得BaHfSi₃O₉:Eu,Yb材料紫外灯激发10秒后的热释光谱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供的硅酸盐长余辉发光材料为两种，化学表达式分别为Ba_1-x-yZrSi₃O₉: Eu_x, R_y以及Ba_1-x-yHfSi₃O₉: Eu_x, R_y，其中，0＜x≤0.05，0＜y≤0.05；R=Tb、Ce、Dy、Tm、Nd、Gd、Y、Er、La、Pr、Sm、Yb、Lu或Ho中的一种或多种元素。

本发明提供的青色长余辉材料Ba_1-x-yZrSi₃O₉: Eu_x, R_y的制备方法，具体按以下步骤进行：

步骤1：按化学表达式Ba_1-x-yZrSi₃O₉: Eu_x, R_y中各化学组成的化学计量比分别称取以下原料：

BaCO₃或Ba(NO₃)₂中的一种，

ZrO或Zr(NO₃)₄·5H₂O中的一种，

H₂SiO₃或SiO₂中的一种，

Eu₂O₃，

Tb₄O₇、CeO₂、Dy₂O₃、Tm₂O₃、Nd₂O₃、Gd₂O₃、Y₂O₃、Er₂O₃、La₂O₃、Pr₆O₁₁、Sm₂O₃、Yb₂O₃、Lu₂O₃或Ho₂O₃中的一种或多种元素，

将所取各原料混合研磨至微米级，制得原料粉末；

步骤2：将步骤1制得的原料粉末，在空气气氛下预烧结，预烧结温度为300～1000℃，预烧结时间为1～10小时，得混合物；

步骤3：待步骤2的混合物自然冷却后研磨均匀，再在还原气氛中高温煅烧，高温煅烧温度为1200℃～1500℃，高温煅烧时间为4～12小时；

还原气氛可以采用三种气体：第一种是氨气（NH₃）；第二种是按体积百分比由5～25%氢气（H₂）和95～75%氮气（N₂）组成的混合气体；第三种是按体积百分比由5～25%一氧化碳（CO）和95～75%氮气（N₂）组成的混合气体；

步骤4：煅烧后的粉末随炉冷却至室温，得到煅烧物；

步骤5：将步骤4得到的煅烧物进行研磨，制得青色长余辉发光材料Ba_1-x-yZrSi₃O₉: Eu_x, R_y。

本发明提供的青色长余辉材料Ba_1-x-yHfSi₃O₉: Eu_x, R_y的制备方法，具体按以下步骤进行：

按化学表达式Ba_1-x-yHfSi₃O₉: Eu_x, R_y中各化学组成的化学计量比分别称取以下原料：

BaCO₃或Ba(NO₃)₂中的一种，

HfO₂，

H₂SiO₃或SiO₂中的一种，

Eu₂O₃，

Tb₄O₇、CeO₂、Dy₂O₃、Tm₂O₃、Nd₂O₃、Gd₂O₃、Y₂O₃、Er₂O₃、La₂O₃、Pr₆O₁₁、Sm₂O₃、Yb₂O₃、Lu₂O₃或Ho₂O₃中的一种或多种元素，

将所取各原料混合研磨至微米级，制得原料粉末；

步骤2：将步骤1制得的原料粉末置于空气气氛下预烧结，预烧结温度为300～1000℃，预烧结时间为1～10小时，得混合物；

步骤3：待步骤2的混合物自然冷却后研磨均匀，再在还原气氛中高温煅烧，高温煅烧温度为1200℃～1500℃，高温煅烧时间为4～12小时；

还原气氛可以采用三种气体：第一种是氨气（NH₃）；第二种是按体积百分比由5～25%氢气（H₂）和95～75%氮气（N₂）组成的混合气体；第三种是按体积百分比由5～25%一氧化碳（CO）和95～75%氮气（N₂）组成的混合气体；

步骤4：将煅烧后的粉末随炉冷却至室温，得到煅烧物；

步骤5：将步骤4得到的煅烧物进行研磨，制得青色长余辉发光材料Ba_1-x-yHfSi₃O₉: Eu_x, R_y。

采用本发明方法合成的青长余辉发光材料以Eu²⁺作为激活离子，Pr³⁺等三价稀土离子作为共激活离子，采用低温煅烧。在200nm～450nm波长光激发下，发出波长为400nm～600nm的青光，该青光宽带发射的峰值位于478nm，经紫外光照射后，去掉激发源，人眼可以观察到明亮的青色余辉，余辉的初始亮度最高可达到0.3456cd/m²，能持续发出人眼可分辨的发光亮度在0.32mcd/m²以上的可见光近15小时。

该硅酸盐长余辉发光材料，使用BaZrSi₃O₉或BaHfSi₃O₉作为发光材料基质，使用二价铕离子(Eu²⁺)作为发光激活剂，其他三价稀土离子作为辅助激活剂。该青色长余辉发光材料不仅具有现有硅酸盐长余辉发光材料的优异性能，而且具有与铝酸盐长余辉发光材料相当的余辉时间。

实施例1

按Ba_0.98ZrSi₃O₉：0.01Eu²⁺, 0.01Pr³⁺分子式所示的化学计量比，称取0.1934g BaCO₃、0.1232g ZrO₂、0.1803g SiO₂、0.0018g Eu₂O₃和0.0017g Pr₆O₁₁作为原料，将称取的各原料研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚，在空气气氛预烧，预烧温度是800℃，预烧时间2小时，混合物自然冷却后研磨并混合均匀，置于温度为1400℃的环境中，在还原气氛下煅烧6小时，还原气氛由体积百分比为95%的氮气和5%的氢气组成，煅烧后的粉末随炉冷却至室温，得到煅烧物；研磨后，制得青色长余辉发光材料。图1所示为该长余辉发光材料的XRD图谱，表明该材料的物相为BaZrSi₃O₉，只有少量的杂质相产生。该长余辉发光材料的激发和发射光谱图如图2所示，在398nm波长激发下，发射光谱在478nm处具有一个青光发射,归属于Eu²⁺的5d-4f跃迁，采用CIE色度图计算得到该长余辉发光材料发射光的色坐标为x=0.124, y=0.2278，位于青光发射区域。图3为0.0010g样品Ba_0.98ZrSi₃O₉：0.01Eu²⁺, 0.01Pr³⁺在波长254nm光源和波长365nm光源同时照射10秒以后测得的热释光谱。可以看出该样品在300～400K温度范围内存在一个较强的适合室温下长余辉的热释峰，峰值位于320K附近。图4为该样品的余辉衰减曲线图，从图中可看出，该发光材料能够持续发出近15小时的人眼可分辨的发光亮度在0.32mcd/m²以上的青光。

实施例2

按Ba_0.98HfSi₃O₉：0.01Eu²⁺, 0.01Pr³⁺分子式所示的化学计量比，称取0.1934g BaCO₃、0.2105g HfO₂、0.1803g SiO₂、0.0018g Eu₂O₃和0.0017g Pr₆O₁₁作为原料，将称取的各原料混合研磨均匀后放入氧化铝坩埚，在空气气氛下预烧结，预烧结温度800℃，预烧时间2小时，得混合物，该混合物自然冷却后研磨均匀，再置于温度为1400℃的还原气氛环境中煅烧6小时，还原气氛由体积百分比为95%的氮气和5%的氢气组成，煅烧后的粉末随炉冷却至室温，得煅烧物；研磨后，制得青色长余辉发光材料。图5所示为该长余辉发光材料的XRD谱图，表明该材料的物相为BaHfSi₃O₉，只有少量的杂质相产生。该长余辉发光材料的激发和发射光谱图如图6所示，在398nm波长激发下，发射光谱在波长478nm处具有一个青光发射,归属于Eu²⁺的5d-4f跃迁，采用CIE色度图计算得到该长余辉发光材料发射光的色坐标为x=0.1247, y=0.2089，不同于Ba_0.98ZrSi₃O₉：0.01Eu²⁺, 0.01Pr³⁺，但仍位于青光发射区域。图7为0.0010g样品Ba_0.98HfSi₃O₉：0.01Eu²⁺, 0.01Pr³⁺在波长254nm和波长365nm光源同时照射10秒以后测得的热释光谱图。可以看出该样品在300～400K温度范围内也存在一个较强的适合室温下长余辉的热释峰，峰值位于320K附近，但其热释峰强度低于Ba_0.98ZrSi₃O₉：0.01Eu²⁺, 0.01Pr³⁺的热释峰。图8为该样品的余辉衰减曲线图，从图中可看出，该发光材料能够持续发出近12小时的人眼可分辨的发光亮度在0.32mcd/m²以上的可见光。

实施例3

按Ba_0.98HfSi₃O₉：0.01Eu²⁺, 0.01Yb³⁺分子式所示的化学计量比，称取0.1934g BaCO₃、0.2105g HfO₂、0.1803g SiO₂、0.0018g Eu₂O₃和0.0020g Yb₂O₃作为原料，将称取的各原料混合研磨均匀后放入氧化铝坩埚，在空气气氛预烧，预烧温度是800℃，预烧时间2小时，得混合物；该混合物自然冷却后研磨并混合均匀，再置于温度为1400℃的还原气氛环境中煅烧6小时，还原气氛由体积百分比为95%的氮气和5%的氢气组成，煅烧后的原料粉末随炉冷却至室温，得到煅烧物；研磨后，制得青色长余辉发光材料。图9为0.0010g样品Ba_0.98HfSi₃O₉：0.01Eu²⁺, 0.01Yb³⁺在波长254nm和波长365nm光源同时照射10秒以后测得的热释光谱图，可以看出该样品中存在三个较强的热释峰，分别位于320K、432K、540K附近。这意味着该材料除了在室温下具有较好的余辉性能，在防伪和温度传感方面也有很大的应用前景。

实施例4

按Ba_0.96HfSi₃O₉：0.02Eu²⁺, 0.02Dy³⁺分子式所示的化学计量比，分别称取0.1894g BaCO₃、0.2105g HfO₂、0.1803g SiO₂、0.0035g Eu₂O₃和0.0037g Dy₂O₃；将称取的各原料混合研磨均匀后放入氧化铝坩埚，在空气气氛预烧，预烧温度是1000℃，预烧时间1小时，得混合物；该混合物自然冷却后研磨并混合均匀，再置于温度为1200℃的还原气氛环境中煅烧12小时，还原气氛由体积百分比为75%的氮气和25%的氢气组成，煅烧后的原料粉末随炉冷却至室温，得到煅烧物；研磨后，制得青色长余辉发光材料。

实施例5

按Ba_0.96ZrSi₃O₉：0.02Eu²⁺, 0.02Nd³⁺分子式所示的化学计量比，分别称取0.1894g Ba(NO₃)₂、0.1232g Zr(NO₃)₄·5H₂O、0.1803g H₂SiO₃、0.0035g Eu₂O₃和0.0037g Nd₂O₃；将称取的各原料混合研磨均匀后放入氧化铝坩埚，在空气气氛预烧，预烧温度是650℃，预烧时间5.5小时，得混合物；该混合物自然冷却后研磨并混合均匀，再置于温度为1500℃的还原气氛环境中煅烧4小时，还原气氛由体积百分比为85%的氮气和15%的氢气组成，煅烧后的原料粉末随炉冷却至室温，得到煅烧物；研磨后，制得青色长余辉发光材料。

实施例6

按Ba_0.9HfSi₃O₉：0.05Eu²⁺, 0.05Tb³⁺分子式所示的化学计量比，分别称取0.1894g BaCO₃、0.2105g HfO₂、0.1803g SiO₂、0.0035g Eu₂O₃和0.0034g Tb₄O₇；将称取的各原料混合研磨均匀后放入氧化铝坩埚，在空气气氛预烧，预烧温度是450℃，预烧时间8小时，得混合物；该混合物自然冷却后研磨并混合均匀，再置于温度为1300℃的还原气氛环境中煅烧9小时，还原气氛为NH₃，煅烧后的原料粉末随炉冷却至室温，得到煅烧物；研磨后，制得青色长余辉发光材料。

实施例7

按Ba_0.94ZrSi₃O₉：0.02Eu²⁺, 0.04Tm³⁺分子式所示的化学计量比，分别称取0.1894g BaCO₃、0.1232g ZrO₂、0.1803g SiO₂、0.0035g Eu₂O₃和0.0034g Tm₂O₃；将称取的各原料混合研磨均匀后放入氧化铝坩埚，在空气气氛预烧，预烧温度是900℃，预烧时间1.5小时，得混合物；该混合物自然冷却后研磨并混合均匀，再置于温度为1350℃的还原气氛环境中煅烧8小时，还原气氛由体积百分比为5%的CO和95%的氮气组成，煅烧后的原料粉末随炉冷却至室温，得到煅烧物；研磨后，制得青色长余辉发光材料。

实施例8

按Ba_0.93HfSi₃O₉：0.03Eu²⁺, 0.04Ce³⁺分子式所示的化学计量比，分别称取0.1894g BaCO₃、0.2105g HfO₂、0.1803g SiO₂、0.0035g Eu₂O₃和0.0035g CeO₂；将称取的各原料混合研磨均匀后放入氧化铝坩埚，在空气气氛预烧，预烧温度是650℃，预烧时间5.5小时，得混合物；该混合物自然冷却后研磨并混合均匀，再置于温度为1500℃的还原气氛环境中煅烧4小时，还原气氛由体积百分比为85%的氮气和15%的CO组成，煅烧后的原料粉末随炉冷却至室温，得到煅烧物；研磨后，制得青色长余辉发光材料。

实施例9

按Ba_0.97ZrSi₃O₉：0.01Eu²⁺, 0.02Y³⁺分子式所示的化学计量比，分别称取0.1894g BaCO₃、0.1232g ZrO₂、0.1803g SiO₂、0.0035g Eu₂O₃和0.0035g Y₂O₃；将称取的各原料混合研磨均匀后放入氧化铝坩埚，在空气气氛预烧，预烧温度是500℃，预烧时间7小时，得混合物；该混合物自然冷却后研磨并混合均匀，再置于温度为1200℃的还原气氛环境中煅烧12小时，还原气氛由体积百分比为75%的氮气和25%的氢气组成，煅烧后的原料粉末随炉冷却至室温，得到煅烧物；研磨后，制得青色长余辉发光材料。

实施例10

按Ba_0.96HfSi₃O₉：0.03Eu²⁺, 0.01Lu³⁺分子式所示的化学计量比，分别称取0.1894g BaCO₃、0.2105g HfO₂、0.1803g SiO₂、0.0035g Eu₂O₃和0.0037g Lu₂O₃;将称取的各原料按实施例2的方法制得长余辉硅酸盐长余辉发光材料。

实施例11

按Ba_0.96ZrSi₃O₉：0.02Eu²⁺, 0.02Er³⁺分子式所示的化学计量比，分别称取0.1894g BaCO₃、0.1232g ZrO₂、0.1803g SiO₂、0.0035g Eu₂O₃和0.0035g Er₂O₃;将称取的各原料按实施例1的方法制得长余辉硅酸盐长余辉发光材料。

实施例12

按Ba_0.96HfSi₃O₉：0.02Eu²⁺, 0.01Pr³⁺,0.01Yb³⁺分子式所示的化学计量比，分别称取0.1894g BaCO₃、0.2105g HfO₂、0.1803g SiO₂、0.0035g Eu₂O_3、0.0017g Pr₆O₁₁和0.0020g Yb₂O₃;将称取的各原料按实施例2的方法制得长余辉硅酸盐长余辉发光材料。