CaTiO3Pr3+材料设计实验报告.docx

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CaTiO3Pr3+材料设计实验报告

材料设计与制备综合实验

学院：

材料与化学化工学院

专业：

材料科学与工程

班级：

2011020402

姓名：

肖忠洋

学号：

201102040210

指导老师:

邱克辉、张文涛

燃烧法合成红色长余辉发光材料CaTiO3：

Pr3+

一、实验目的

1.了解红色长余辉发光材料的基本性能；

2.掌握燃烧法的实验原理；

3.掌握燃烧法合成CaTiO3：

Pr3+粉体的制备流程；

4.掌握一些基本的材料测试方法。

二、实验原理

燃烧法是指通过前驱物的燃烧合成材料的一种方法。

当反应物达到放热反应的点火温度时，以某种方法点燃，随后的反应即由放出的热量维持，燃烧产物就是拟制备的材料。

其基本原理是将反应物原料制成相应的硝酸盐，加入作为燃料的柠檬酸（还原剂），在一定的温度下加热一定时间，经剧烈的氧化还原反应，溢出大量的气体，进而燃烧得到泡沫状材料，该泡沫物质不团结，易粉碎。

用燃烧法合成发光材料具有相当的适用性，燃烧过程产生的气体还可以充当还原保护气氛，并且可有效降低炉温，是一种很有意义的高效节能合成方法。

三、实验药品及仪器

药品：

三氧化二镨（Pr2O3），硝酸钙（Ca（NO3）2•4H2O），柠檬酸（C6H8O7•H2O），钛酸丁酯（Ti（OC4H9）4），乙二醇（C6H8O2），浓HNO3，去离子水。

仪器：

电子天平，量筒，烧杯，移液管，磁力搅拌器，恒温干燥箱，刚玉坩埚，马弗炉，X射线粉晶衍射仪（XRD），荧光光谱仪（FL）。

四、实验内容

表1

配比

硝酸钙/g

氧化镨/g

柠檬酸/g

钛酸丁酯/ml

乙二醇/ml

一

2.3615

0.0013（0.08%）

5.8839

3.4

6.2

二

2.3615

0.0016（0.10%）

5.8839

3.4

6.2

三.

2.3615

0.0025（0.15%）

5.8839

3.4

6.2

四

2.3615

0.0033（0.20%）

5.8839

3.4

6.2

1.实验流程

图1

2.实验步骤

1.按表1配比称取相应的Ca（NO3）2•4H2O、Pr2O3和柠檬酸；

2.用量筒两取一定量的Ti（OC4H9）4溶液缓慢滴加到适量的乙二醇溶液中，并置于磁力搅拌器上80℃加热搅拌，将柠檬酸加入到搅拌中的Ti-乙二醇溶液中，待柠檬酸完全溶解，此时得到浅黄色溶液A；

3.将Pr2O3溶解于浓HNO3中（加热溶解），得到Pr（NO3）3溶液；控制加水量（4ml），将是事先称量好的Ca（NO3）2•4H2O溶于水，得到Ca（NO3）2溶液；

4.将上述硝酸盐溶液加入到溶液A中，在80℃下继续搅拌1h，得到黄色溶液溶胶；

5.取少量上述溶胶放入刚玉坩埚中，置于马弗炉中，于900℃恒温焙烧得白色粉末。

6.采用XRD、FL等测试方法对样品进行测试分析。

五、测试与分析

1.XRD分析

图2为Pr3+浓度分别为0.08%、0.1%、0.15%、0.2%的四个样品燃烧法合成得到的CaTiO3:

Pr3+粉末在900℃锻烧温度下锻烧1h后的XRD图。

图2.Pr3+浓度不同的CaTiO3:

Pr3+的XRD图

从图中可以看出，不同氧化镨含量的样品衍射图谱十分相像，合成的都为CaTiO3（JCPDS•No.22－0153），属于正交晶系。

在四个样品中均未发现Pr3+化合物的物相，说明少量的Pr3+掺杂没有影响样品的相组成。

当氧化镨的含量小于0.15%时，随着氧化镨含量的增加，其特征衍射峰的相对强度减弱，当含量为0.15%时，衍射峰强度最弱，而当氧化镨含量为0.08%时，样品的衍射强度非常接近于CaTiO3的JCPDS标准卡（22－0153）；但当含量大于0.15%时，衍射峰的强度反而有所增强。

这说明，氧化镨的存在抑制CaTiO3的生成，在中间某一氧化镨含量抑制效果最强。

这是因为提高氧化镨的含量，Pr3+离子的浓度越高，将具有更多的掺杂离子进入基质晶格，使得基质晶格产生畸变，从而影响基质的结晶性，同时也使基质产生残余应力，但进入基质的Pr3+离子在某一浓度使得基质中的畸变能最大，对基质结晶影响达到最大；超过该浓度后，畸变能减小，对基质的结晶影响减小。

2.光谱分析

CaTiO3:

Pr3+是以Pr3+离子为发光中心的发光材料，所以Pr3+离子浓度对材料性能十分重要。

本实验针对不同Pr3+浓度进行了实验，观察Pr3+掺杂浓度的变化对发光材料的影响。

图3.氧Pr3+浓度不同的CaTiO3:

Pr3+的激发和发射光谱

从图3中可以看出，在不同的Pr3+掺量下，样品的发射光谱形状基本相同，发射峰值均为616nm，当稀土Pr3+掺量从0.08%增加到0.1%时，样品的发射光谱强度逐渐增强，当Pr3+掺量大于0.1%时，样品的发射光谱强度则逐渐减弱。

当Pr3+的浓度在0.1%以下时，样品的发光亮度以及余辉时间都比较小，这是因为Pr3+离子的浓度越高，将具有更多的掺杂离子进入基质晶格，形成更多的发光中心，促进发光亮度的提高。

在这过程中，Pr3+的辐射跃迁占据主导地位，所以发光强度随着Pr3+的浓度提高呈现急剧的增长趋势。

而当Pr3+的浓度超过0.1%时，Pr3+之间的距离足够近，它们之间的相互作用增强，受到激发时跃迁的趋势减小，使得交叉驰豫占据主导地位，所以当浓度大于0.1%时，材料的发光亮度不但不会提高反而会降低，甚至不发光。

溶胶凝胶法合成Na2CaSiO4:

Dy3+发光材料

一、实验目的

1.掌握溶胶凝胶法的实验原理；

2.掌握溶胶凝胶法合成Na2CaSiO4:

Dy3+发光材料的制备过程；

3.了解硅酸盐发光材料的基本性能；

4.掌握材料的基本测试方法。

二、实验原理

溶胶凝胶法在材料合成与制备中的应用非常普遍，同时也广泛用于制备氧化物材料，他是无机物或金属醇盐经过溶液，溶胶而固化，再经热处理而成的氧化物或其他化合物固体的方法。

溶胶凝胶过程包括无机网络的进化通过胶态悬浮体的形成和溶胶的凝胶化形成网络的连续液相。

胶体的前驱体通常由各种活性配体包围的金属或非金属元素组成。

原料在水中或烯酸的环境中先形成分散的氧化物再转变成溶胶。

溶胶凝胶法的特点是制备温度较低的一般不超过1000℃，由于经过溶液这一步骤，反应组分可以在分子水平上混合均匀，组成较为精确，而且可以得到颗粒均匀，纯度较高的超细粉末；该方法处理周期较长，所的荧光粉产物往往不如高温固相法所得产物。

溶胶转变成凝胶的过程不仅是水分去除的过程，还可以决定前驱体颗粒大小和形状。

氧化物水解和凝结的过程，溶胶凝胶化学涉及的反应基于金属醇盐的水解和凝结，如下公式所示：

（l）MOR+H2O→MOH+ROH（水解）

（2）MOH+ROM→M－O－M+ROH（凝结）

三、实验药品及仪器

原料：

正硅酸乙酯（Si（OC2H5）4），硝酸钠（NaNO3），硝酸钙（Ca（NO3）2•4H2O）氧化镝（Dy2O3），无水乙醇（C2H6O），浓硝酸（HNO3）

仪器：

电子天平，磁力控温搅拌器，箱式电阻炉，X射线粉晶衍射仪（XRD），紫外灯。

四、实验内容

表2

配比

硝酸钠/g

硝酸钙/g

氧化镝/g

正硅酸乙酯/ml

无水乙醇/ml

一

2.5497

3.2234

0.1119

3.34

6.69

二

2.5497

3.2234

0.1119

3.34

6.69

三.

2.5497

3.2234

0.1119

3.34

6.69

四

2.5497

3.2234

0.1119

3.34

6.69

1.实验流程

图4

2.实验步骤

Na2Ca1-xSiO4：

xDy3+荧光粉以正硅酸乙酯（TEOS）、硝酸钙和硝酸钠分别作为硅源、钙源和纳源，通过溶胶-凝胶法合成。

首先，按照体积比1:

2的比例将TEOS溶于无水乙醇，添加适量去离子水与TEOS的乙醇溶液（体积比H2O:

Si=3:

1）并在室温下搅拌30min；其次将Dy2O3溶于浓度为2mol/L的硝酸得到Dy（NO3）3；在搅拌过程中，将Dy（NO3）3、NaNO3和Ca（NO3）2•4H2O加入上述TEOS溶液直至转变为无色透明的溶胶；所得溶胶先在室温下陈化，再放置于烘箱中80℃干燥转变为干凝胶；最后，所得的干凝胶在700℃下焙烧3h，取出空冷便得到所需材料。

五、测试与分析

图5.溶胶-凝胶法合成的Na2CaSiO4的x射线衍射图谱

图5为溶胶-凝胶法制的的样品的XRD图谱，由图可知样品的物相为单一的Na2CaSiO4，并无明显的杂相存在，说明Dy3+的掺杂没有影响样品的物相组成。

图6

由图6可知样品的发射色坐标为（0.34，0.38）

图7

图8