材料专业综合设计实验方案.docx

1、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

2、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LED1-3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

3、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

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

5、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 1 2 3 4 5 6 实验原料 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 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

6、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 XRD SEM 电子天平 箱式电阻炉 荧光光谱仪 规格要求 DHG-9248A Y2000 日立SU8010 AR2140 AX2-5-12 日立F-4600 原料

7、名称 Dy2O3 CaCO3 HNO3 Al(NO3)39H2O C8H20O4Si(TEOS) NaCl C2H5OH(乙醇) H3BO3 C6H8O7H2O 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

8、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

9、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

10、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

11、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1 Ca2xAl2SiO7: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)39H2O、C6H8O7和H3BO3分别加入上述坩埚中;将称量好的Er2O3和

12、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( 201

13、3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

14、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

15、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-xBax

16、SiO4: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