材料专业综合设计实验方案.docx

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材料专业综合设计实验方案

材料专业综合设计实验方案

　　　　　　　　　　　　　　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：

11363014学生姓名：

柴林林指导老师：

陈林（副教授）　　时　　间:

2013年9月20日　　　　　　1　　　　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奠定基础。

　　2实验内容　　引言　　白光LED[1-3]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。

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　　　　2　　　　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。

实验原理　　实验仪器设备及原料　　实验仪器设备序号123456实验原料序号123456789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:

　　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。

可以明显的降低生长温度和缩短反应时间。

　　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　　　　3　　仪器名称恒温干燥箱XRDSEM电子天平箱式电阻炉荧光光谱仪规格要求DHG-9248AY2000日立SU8010AR2140AX2-5-12日立F-4600原料名称Dy2O3CaCO3HNO3Al（NO3）3·9H2OC8H20O4Si（TEOS）NaClC2H5OH（乙醇）H3BO3C6H8O7·H2O规格要求3N分析纯分析纯分析纯分析纯分析纯分析纯分析纯分析纯　　常常腐蚀或污染炉体。

测试表征原理　　物相组成测试　　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-射线衍射仪主要用来分析合成的Ca2Al2SiO7:

Dy3+荧光粉的晶相组成。

扫描电子显微镜　　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。

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。

荧光光谱测试　　通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，检测器检测相应的荧光强度，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，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　　　　4　　　　更有效的直接依据。

（2）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。

光谱多个发光带组成时，不同的发光带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。

实验过程　　　　图1Ca2xAl2SiO7:

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）3·9H2O、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,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1时间段第一周（2013年9月2日）～第三工作内容查找文献资料，制定实验方案阶段性成果文献资料、实验方5　　　　周（2013年9月22日）2第四周（2013年9月23日）～第十周（2013年11月10日）第十一周（2013年11月11日）～第十三周（2013年12月1日）实验准备：

器材、药品实验操作案实验记录、实验数据实验报告3数据分析总结，撰写实验报告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:

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　　　　　　　　　　周（2013年9月22日）2第四周（2013年9月23日）～第十周（2013年11月10日）第十一周（2013年11月11日）～第十三周（2013年12月1日）实验准备：

器材、药品实验操作案实验记录、实验数据实验报告3数据分析总结，撰写实验报告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:

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