[发明专利]一种锆磷酸盐基弹性应力发光材料及其制备方法

说明书

技术领域：

本发明属于应力发光材料技术领域，涉及一种锆磷酸盐基高性能弹性应力发光材料及其制备方法，在生物体、机械部件和建筑物等场合的应力分布检测、应力传感器、显示器、娱乐装置等领域具有广泛的应用前景。

背景技术：

应力发光材料是一种能将机械能转换为光能的固体材料，即施加不同机械应力时材料因形变而发光；根据固体材料产生应力发光时的形变程度，应力发光材料可分为破坏性应力发光材料和非破坏性应力发光材料，破坏性应力发光材料于自然界中普遍存在，其发光源自固体断裂过程中能量释放产生的放电，这类发光本身具有破坏性且材料发光强度没有规律，至今尚未获得实际应用；非破坏性应力发光材料又可细分为塑性应力发光材料和弹性应力发光材料，其中，对弹性应力发光材料的研究虽然只有十余年历史，但因具备其它应力发光材料无法比拟的优势而成为当前功能材料研究热点之一。在弹性形变限度内，弹性应力发光材料不仅拥有对检测材料无损坏的特点，而且具有发光强度与应力强度成正比的特性。性能优良的弹性应力发光材料能对不同形式的机械应力刺激（如压缩、拉伸、弯曲、碰撞、摩擦、扭转、超声等）做出即时响应，支持广泛的应力强度测试范围(10kPa-20MPa)，可通过检测材料应力发光的强度分布而得到应力分布，实现应力分布非破坏性可视化实时探测；当应力强度增大至超出材料弹性应变范围到达塑性和破坏变形区域，弹性应力发光材料又同时兼顾了塑性应力发光材料和破坏性应力发光材料的发光特性，这将有利于探测各种不同结构的弹性形变、塑性形变及其破坏情况，可用于待测物体受力及受损情况的实时监测。

目前，基于弹性应力发光材料开发的触觉传感器、智能蒙皮、自诊断安全管理系统等已经在人造皮肤和机器部件的应力分布实时检测与监测，全天候城市建筑物防灾、减灾等领域都表现出巨大的应用前景。迄今为止，人们已经开发出十余种能够发出不同颜色光的弹性应力发光材料，但其中只有发黄光的ZnS:Mn²⁺材料、发红光的(Ba,Ca)TiO₃:Pr³⁺材料以及发绿光的SrAl₂O₄:Eu²⁺材料拥有足够实际应用的应力发光强度。然而遗憾的是，这三种材料仍然存在其它问题而不能满足实际需求：ZnS:Mn²⁺材料只在摩擦力和冲击力作用下具有弹性应力发光，在压力作用下没有应力发光特性（参看文献Appl.Phys.Lett.,1999,74:1236-1238）；(Ba,Ca)TiO₃:Pr³⁺材料弹性应力发光产生的压力阈值过大，无法对低于350N的压力作出弹性应力发光反应（参看文献Appl.Phys.Express,2010,3:022601和专利文献CN200810042188.0）；SrAl₂O₄:Eu²⁺材料中的载流子陷阱能级深度较浅(0.2±0.1eV)，可对微弱应力做出响应，却限制该材料在较强机械能作用下的应用（参看文献Appl.Phys.Lett.,1999,74:2414-2416）。因此，探讨开发出一种具有广泛应用前景的高性能弹性应力发光材料，在不同机械应力作用下发出高亮度的可见光，具有多重载流子陷阱深度，能够对宽能量范围的机械作用做出弹性应力发光响应，具有重要的科学价值和社会效益。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求提供一种锆磷酸盐基高性能弹性应力发光材料及其制备方法，该材料弹性应力发光强度高，具有多重载流子陷阱深度、能够对宽能量范围的机械作用做出响应。

为了实现上述目的，本发明涉及的锆磷酸盐基高性能弹性应力发光材料以稀土元素为激活剂，其化学结构表达式为Ca_1-x-y-2z-nSr_xBa_yA_zR_nZr(PO₄)₂，其中0≤x≤0.30，0≤y≤0.30，0≤z≤0.10，0≤n≤0.10；A表示起电荷配位作用的一价碱金属元素，选自Li、Na、K和Rb中的一种或多种；R表示稀土敏化剂元素，选自La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy和Er中的一种或多种；x、y、z、n分别表示摩尔百分含量；该材料与光学透明的高分子弹性材料混合后，制成薄片或圆柱型树脂体或涂覆于待测部件表面，能将所受机械外力转换为光能，实现应力分布检测。