余辉性能（精选6篇）
余辉性能 篇1
摘要：对SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+在高温条件下的稳定性以及在高低温环境中的发光性能进行了研究。研究发现材料经过煅烧以后,基质的晶体结构未发生变化,波谱的形状和位置也均未发生变化,但是余辉初始发光亮度降低和余辉时间变短。在-50℃环境中的余辉亮度始终比25℃时的低,而200℃环境中的余辉亮度比25℃时的时高时低。随着温度的降低,发现该材料在70℃时已经不再发光,在该温度点发生了温度猝灭。
关键词：长余辉材料,SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+,高低温环境,温度猝灭
近年来,一种新型的稀土离子掺杂碱土金属铝酸盐长余辉发光材料已逐渐成为人们关注和研究的热点[1,2,3]。此类材料能稳定、高效地发出各色光,具有余辉时间长,余辉亮度强,光、热、化学稳定性好,不含放射性物质,可重复使用等优点[4,5,6]。长余辉发光材料不仅作为传统发光材料(如暗视场中的指示性标示及工艺品),更作为一种新型的光电材料或元件(如放大器、光纤、光存储和显示设备等),有望用于信息处理、新能源、生命科学和宇宙航空等尖端科技领域[7,8,9,10]。但是铝酸盐体系发光材料在高低温特殊环境中的应用研究尚未见报道,特别是在高寒地带的发光性能的变化以及在高温条件下的稳定性等问题亟待解决。本文对现有新型的碱土金属铝酸盐长余辉材料在高温条件下的稳定性以及在高低温环境中的发光性能进行了研究。
1 实 验
1.1 实验材料和实验仪器
本实验所用材料为SrAl2O4:Eu2+,Dy3+粉末样品,自制。
本实验所用仪器为全纤维快速升温炉,型号5X-4-10,湖南湘潭中山电炉厂;氙灯高低温试验箱,型号HL7005T,自制。
1.2 实验过程
将自制的发光粉SrAl2O4:Eu2+,Dy3+放入电炉中,分别在温度为200,400,600,800,1000 ℃时煅烧0.5 h,取出后用X衍射仪测试其物相的变化,用分光光度计测试其发光性能的变化。另取一份发光粉放入自制的恒温箱中,加热到200 ℃用模拟太阳光的氙灯照射10 min后,在恒温箱中检测其发光性能的变化。另取一份发光粉放入自制的超低温冰箱中降温至一定温度,用模拟太阳光的氙灯照射10 min后,在冰箱中检测其发光性能的变化并观察其猝灭温度。
1.3 材料的表征及性能测试
X-射线衍射仪,D/maxⅡA型,日本理学公司;荧光分光光度计,F4500型,日本日立公司;屏幕亮度计,ST-86LA型,上海将来实验设备有限公司;高低温试验箱,自制。
2 结果与讨论
2.1 产物的物相分析
将自制的发光粉SrAl2O4:Eu2+,Dy3+放入电炉中,分别在温度为200,400,600,800,1000 ℃时煅烧0.5 h,取出后各自用X衍射仪测试其物相,并与原来未加热的发光粉相比较,发现物相并未发生变化。图1为1000 ℃煅烧0.5 h的X衍射图。该衍射图与卡片NO.34-0379相符合, 为纯单相的SrAl2O4,a=0.84424 nm,b=0.8822 nm,c=0.51607 nm,晶形结构为单斜晶系。说明了在高温下(1000 ℃以下)基质的物相很稳定,即使掺杂离子被氧化了也不会影响晶体的结构,反过来又说明了掺杂离子完全进入了基质的晶格。
2.2高温下长余辉材料SrAl2O4:Eu2+,Dy3+的稳定性
用荧光分光光度计测定样品在没有煅烧以前的激发光谱和发射光谱如图2所示。从图上可以看到,材料的激发光谱为宽带激发,激发光谱峰值波长在360 nm左右。发射光谱峰值波长为520 nm,属于典型的Eu2+的5d→4f(4f65d组态到基态4f7)跃迁引起的发光[1]。分别经过200,400,600,800,1000 ℃煅烧半个小时以后,波谱的形状和位置均未发生变化,但是峰值的相对发光强度和余辉时间发生了变化。
2.3 煅烧后初始发光亮度和余辉时间的变化
从表1可以看到,随着温度的升高,材料的初始发光亮度变小和余辉时间变短。特别是800 ℃以上时,发光性能衰退特别明显,从外观上看有许多颗粒不发光。这是因为Eu2+被氧化为Eu3+。而Eu3+的发射一般为线状光谱,发射红光和橙光为主,这种发光对应于4f6电子组态内从激发态5D0能级到7FJ(J=0、1、2、3、4、5、6)能级跃迁发射,而不能进行4f65d →4f7跃迁发射。从以上X衍射图上知道基质的物相在1000以下很稳定,而且还有部分未经氧化的Eu2+,所以材料的光谱位置和形状均未发生变化,但是发光的颗粒变少,使材料的发光亮度减小和余辉时间变短。
2.4 高低温环境中长余辉材料SrAl2O4:Eu2+,Dy3+的初始亮度和余辉性能的变化
把两份样品材料分别放于200 ℃和-50 ℃的环境中,用氙灯激发10 min后,在该环境中观测其初始发光亮度和余辉时间的变化,并与常温下25 ℃的相比较。余辉衰减曲线如图3所示。从图3可以看到25 ℃环境中余辉衰减曲线在前5 min以内,余辉亮度衰减特别快,在15 min左右衰减明显放缓,在30 min 处衰减曲线已经趋于平缓。200 ℃环境下的衰减曲线在10 min以内都为衰减很快,10 min以后衰减很平缓,并且在6~20 min之间的余辉亮度比常温25 ℃时的要低。而-50 ℃环境中的余辉亮度始终比25 ℃时的低。在这三种环境中,发光衰减的过程均由快衰减和慢衰减组成,而且都符合I=At-n的规律[2]。这表明了Eu2+的发光衰减是一个多种衰减过程的总和。低温下该材料的余辉机理是:在存在合适的能级陷阱时,基质晶格吸收激发能传递给激活离子使之处于激发状态,处于激发态的束缚在陷阱中的电子会随着热扰动的同时返回基态而伴随发光。当温度很低时以至于能量太低,热扰动不足以使较多的电子返回基态,从而降低了余辉亮度,甚至在温度足够低时会使材料产生光猝灭。但是温度过高时,若有足够的能量使陷阱中的较多的电子返回到基态,虽然初始的余辉亮度较高,然而会使余辉时间变短,甚至看不到余辉现象。
为探讨材料的最低发光温度,我们将材料置于不同的温度检测其初始发光亮度,如图4所示。从图4可以看到,随着温度的下降,余辉初始发光亮度降低,特别是在低于-30 ℃以下,发光亮度急剧下降。样品在-70 ℃时已经不在发光。
3 结 论
经过以上的实验和分析得出了以下的结论:
(1)长余辉材料SrAl2O4:Eu2+,Dy3+样品分别经过200,400,600,800,1000 ℃煅烧0.5 h以后,基质的晶体结构未发生变化,波谱的形状和位置也均未发生变化,但是余辉初始发光亮度降低和余辉时间变短,这是因为Eu2+被氧化为Eu3+。
(2)在200 ℃和-50 ℃的环境中观测材料的初始发光亮度和余辉时间的变化,发现-50 ℃环境中的余辉亮度始终比25 ℃时的低,而200 ℃环境中的余辉亮度前6 min内比25 ℃时的略高,在6~20 min之间比25 ℃时的低,在20 min以后又略高于25 ℃的。
(3)随着温度的降低,发现该材料在70 ℃时已经不再发光,这是因为温度很低时,热扰动不足以使较多的电子返回基态,就在该温度点发生了光猝灭。
参考文献
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余辉性能 篇2
稀土掺杂碱土硅酸盐类发光材料是一种发光强度高,余辉时间长,耐热耐湿,耐化学腐蚀的新型长余辉发光材料。由于该材料不含放射和有毒物质等优点,而被广泛地应用于照明、指示标牌、医学放射学图像、辐射场的探测和发光陶瓷等领域[1,2,3,4]。硅酸盐基长余辉发光材料是在传统的硫化物基发光材料及铝酸盐基长余辉发光材料的基础上而发展起来的一种新型的长余辉材料。传统硫化物基发光材料,化学性能不稳定,发光强度低,余辉时间短,因而使其应用受到一定的限制。而铝酸盐基发光材料,耐湿性能差,易于水解,需要在其表面进行修饰,这在一定程度上限制了铝酸盐磷光体材料的应用。硅酸盐基发光材料作为一种新型的长余辉发光材料在近年来越来越引起人们的重视,其化学性能较铝酸盐基发光材料稳定,而发光颜色又与铝酸盐基发光材料互补,且在陶瓷发光材料等领域的应用要优于铝酸盐类发光材料[5]。
长余辉发光材料的合成方法很多,主要有高温固相反应法,溶胶凝胶法,微波法,共沉淀法,喷雾热解法等[6,7,8,9,10]。其中,高温固相法是最常用的方法,也是最适合工业化生产的方法。但是,高温固相法合成的发光材料,团聚比较严重,颗粒较粗,合成粉体往往需要碾磨后才能使用。而碾磨,往往会是发光粉的发光强度降低。因此,怎么得到团聚程度小,颗粒较细的发光粉体就成了广大研究人员的目标了。
主要是通过对固相反应法进行适当的改进,采用两步法合成发光粉体,以减少发光粉的团聚程度,降低样品的烧结温度,合成颗粒较细的发光粉体。
1 实验部分
1.1 样品的制备
主要原料:Sr2CO3(AR),MgO(AR),SiO2(AR),H3BO3(AR),Eu2O3(质量分数99.99%),Dy2O3(质量分数99.9%),有机添加剂P,无水乙醇(AR),以上试剂均来自国药集团化学试剂有限公司。
制备方法:两步法合成方法是按照Sr1.97MgSi2O7∶Eu2+0.01,Dy3+0.02,B0.3化学计量比准确地称量各组分,将原料混合在玛瑙研钵中充分研磨均匀(约1小时),再将研磨好的材料放入烘箱中烘干。将烘干的原料置于刚玉坩埚中,并放入箱式电炉中升温至700～900℃,预烧两小时。将添加剂P加入到预烧好的原料中,并通过电磁加热搅拌器搅拌使其完全均匀混合,在将物料烘干,置入刚玉坩埚中,在石墨粉还原气氛中升温至1200～1300℃,煅烧2小时,随炉冷却至室温,即得到目标产物。一步法则没有预烧过程,而是研磨均匀烘干后,直接在还原气氛下升温至1200～1300℃,煅烧两小时,随炉降至室温,得到发光产物。
1.2 测试
采用NOVA NanoSEM 450型扫描电子显微镜测样品的形貌特征,采用LS-POP型激光粒度分析仪测样品的粒度分布,采用D/max2550VB/PC型X射线衍射仪测样品的物相组成,采用970CRT型荧光分光光度计测样品的激发光谱和发射光谱,采用ST-86LA型照度计测样品的初始亮度及余辉时间。
2 结果与讨论
2.1 样品的形貌及粒度分布
图1为采用两步法a和一步法b在1250℃下的样品形貌图。从图a我们可以看出采用两步法合成的粉体颗粒粒径大概分布在1～8um,有部分团聚情况。图b中一步法合成的发光粉粒径粗达近30um。使用激发粒度分析仪测的样品的粒度分布图,如下图2所示。a为两步法合成的样品粒度分布,分布范围大概在1～8um,b为一步法合成的样品粒度分布,分布范围大概在10～35um之间。
从以上图中分析,可以得知采用两步法合成的发光材料相比于一步法,在一定程度上降低了发光粉体的团聚度,粒度分布也较均匀,颗粒也没有一步法合成的粉体那么粗。
2.2 XRD分析
在还原气氛下,按照不同方法和保温温度合成的样品的XRD检测图谱,其中样品a,b,c是按照一步法合成,合成温度分别为1200℃,1250℃,1300℃;样品e,d是按照两步法合成,合成温度分别为1200℃,1225℃。如下图1所示。
由图3可以清楚的看出样品在不同温度及不同方法下,所得样品物相的变化。样品a中主要存在Sr2SiO4(JCPDS39-1256)和SrSiO3(JCPDS34-0099)等相,未有Sr2MgSi2O7相的生成。样品b中主要存在Sr2MgSi2O7(JCPDS15-0016)相,以及少量的SrSiO3相存在。样品c中只存在Sr2MgSi2O7相。样品d中,主要以Sr2SiO4相为主,还有少量的SrSiO3相及Sr2MgSi2O7相的存在。样品d中,基本以Sr2MgSi2O7相为主。由以上分析,我们可以清晰地知道用步法合成样品,1200℃时是无法生成Sr2MgSi2O7目标晶相,而随着温度的升高到1250℃时,合成的样品中主要以Sr2MgSi2O7相存在,含有少量的杂相SrSiO3。当合成温度达到1300℃时,样品完全以Sr2MgSi2O7相存在,但此时样品团聚度比较高,合成晶粒粗大。而当我们采用两步法合成样品时,发现在1200℃时虽然样品还是以Sr2SiO4晶相为主,但是已经有少量的Sr2MgSi2O7相生成。当合成温度1225℃时,此时样品基本以Sr2MgSi2O7晶相为主。由以上对比,我们可以知道采用新型的两步法合成样品相较于传统的一步法,可以适当地降低合成温度。
2.3 激发光谱和发射光谱分析
不同合成方法及烧结温度下,样品的激发光谱和发射光谱,如下图4,图5所示。
从激发光谱图中可以观察到在360nm处存在的激发峰,从整个谱线来看,属于连续带状谱。该带状谱是由波长250～450nm范围的宽激发带组成,说明紫外线和可见光均能有效激发该发光材料。从发射光谱图中,可以看出发射光谱也是连续的宽带谱,峰值位于466nm处。这是由于Eu2+的4f65d1到4f7(8S7/2)跃迁产生的[11]。由于5d层上的电子处于外层裸露状态,其能级劈裂极易受到外电场的干扰,因此Eu2+的能级跃迁表现一定的宽带峰状态。采用不同的合成方法和温度得到的发光材料,激发和发射峰的强度也存在明显的区别。随着煅烧温度的升高,发光材料的激发和发射峰的强度都有明显的增强。这是由于随着煅烧温度的升高,Dy3+与Sr2+的不等价取代更容易进行,即Dy3+对Sr2+的取代程度相应的增加,而发光材料中的电子陷阱正是由于这种不等价的取代而产生[12]。因此增加煅烧温度,就相应的增加了发光材料中的陷阱浓度,这样就提高了材料的发光性能,使得发光材料的激发峰和发射峰强度变强。而采用两步法合成的发光材料与一步法合成的发光材料相比,较低的合成温度得到的发光材料,激发和发射强度却都有所增强。这主要是因为在两步法合成发光材料时,样品会先在700～900℃预烧两小时,材料在预烧这一阶段会发生初步反应,使得材料在煅烧阶段的反应更容易,相同的煅烧温度下,得到的晶相更加完整。
1-1200℃(两步法),2-1250℃(一步法),3-1225℃(两步法),4-1300℃(一步法)
1-1200℃(两步法),2-1250℃(一步法),3-1225℃(两步法),4-1300℃(一步法)
1-1300℃(一步法)2-1250℃(一步法)3-1200℃(一步法)4-1250℃(两步法)5-1225℃(两步法)6-1200℃(一步法)
2.4 发光余辉性能
图6是不同合成方法以及煅烧温度下合成的样品发光余辉衰减曲线图。从图中可以看出,样品的发光大概分为两个部分:初始快衰减、中间过渡衰减、随后极长的慢衰减。初始快衰减是因为Eu2+内部电子存活时间短;中间过渡衰减是由于浅陷阱能级中心俘获Eu2+引起的;而随后慢衰减过程是由于较深层的陷阱能级中心Dy3+引起的。
从图中我们还能看出不同的烧结温度和烧结方法对余辉的影响。随着烧结温度的升高,样品的余辉性能变好。这主要是因为较高的烧结温度,样品的结晶更加完整,陷阱浓度增大引起的。而采用两步法合成的发光材料的余辉性能也优于相同温度下一步法合成的发光材料。这主要是由于采用两步法合成的样品有个700～900℃的预烧过程,合成原料在该过程中会进行初步反应,使得煅烧过程中反应更加容易进行,相应地降低了煅烧温度。在相同温度下,两步法合成的样品较一步法合成的样品结晶更加完整。产品在35w疝气灯照射5min后,移至自制黑箱中,在肉眼可辨范围内(约0.32mcd/m2)可持续发光2h以上。
3 结论
(1)两步法合成Sr2MgSi2O7∶Eu2+,Dy3+发光材料颗粒较传统固相反应法要小,粒度分布更加均匀,团聚度降低。
(2)Sr2MgSi2O7∶Eu2+,Dy3+发光材料的激发光谱和发射光谱均为连续宽带谱,发射主峰在466nm处。
(3)不同的煅烧温度对发光材料的发光性能有显著的影响,随煅烧温度升高,发光材料的余辉性能变强。这主要是因为温度升高,内部陷阱浓度增大,使得余辉性能变好。
参考文献
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余辉性能 篇3
陶瓷釉是将硅酸盐原料涂敷于坯体表面,经一定温度焙烧熔融,降温后形成覆盖在陶瓷表面的、均匀的玻璃质薄层。陶瓷发光釉又叫夜光釉,它是在光照射后撤去光源仍能够持续发光的陶瓷釉,主要是将基础釉与发光物质按一定比例混合后施于坯体表面,烧成后具有发光功能的一种陶瓷釉料,可用于陶瓷和搪瓷制品的生产[1]。其发光产品可以利用日光或灯光储光,在夜晚或黑暗处发光,或在突然失去照明的紧急情况下提供逃生指示或照明,可用于地铁站、地下走廊、地下广场、火车站、楼道、走廊、卫生间和大型会议厅等人口密集的地方。
近年来,随着人们生活水平的提高,对各种大型建筑的紧急照明、安全逃生系统要求越来越高,因此对发光陶瓷产品的要求越来越高。越来越多的研究者开始关注陶瓷发光釉,并投入大量的精力来研究高质量的陶瓷发光釉,使其在制备工艺、使用技术、余辉性能、化学稳定性和环保等各个方面得到了前所未有的发展。本文就发光釉的研究现状和未来发展趋势进行综述分析,以期对这类材料开展更加深入广泛的研究、开发和应用打下良好的基础。
1 陶瓷发光釉的发展进程与研究现状
1.1 硫化锌类陶瓷发光釉
Sidot最早开展了这一系列长余辉发光材料的研究工作,在1866年,首先制备出发黄绿光的Zn S:Cu发光材料。其后,又开发出其它硫化物体系长余辉材料,如发蓝紫光的Ca S∶Bi,发黄色光的Zn Cd S∶Cu等,经过逐步完善,出现了加入Co,Pm等激活剂的发光材料。直至20世纪初长余辉发光材料才真正地实现了工业化生产,且始终是Zn S基系列产品占据着长余辉发光材料的主导地位。因此,许多研究者把这种长余辉发光材料用于陶瓷釉料,以期制备出具有发光性能的陶瓷釉。1987年,王文峰[2]进行了荧光陶瓷彩釉砖的研究,探讨了发光釉的制备技术;1990年,Tyuzo Takai等[3]首先制备出了用Zn S∶Cu作为发光材料的发光釉,并申请了专利;李万军等[4]探讨了荧光陶瓷釉的发光机理。孙运亮等人[5]研究了Zn S基发光陶瓷釉的制备工艺,并探讨了发光机理。后来,卢显儒等[6]根据以前的研究成果,制备出了以Zn S为发光材料的发光釉,烧成温度820℃,余辉时间为20~30分钟;并研究了发光釉基础釉的配方体系,探讨了发光釉中基础釉的配方要求和制备工艺,认为发光釉的釉层主要由发光粉晶体颗粒和基础釉的玻璃相共同构成。
这类发光釉,以硫化物长余辉发光粉为发光材料加上合适的基础釉构成。一般情况下,使用Zn S类发光材料的发光陶瓷釉性能稳定,但是长期在紫外光照射下或在潮湿环境中会分解变黑,亮度下降,甚至发生猝灭。此外,发光亮度低,余辉时间短,烧成温度低,使其在使用上受到限制。在制备发光釉时,一般需要加入助熔剂以便降低烧成温度,使用温度一般不应超过800℃,并且需要防氧化工艺措施,基础釉中不能含有对发光材料有猝灭作用的元素,如Pb2+离子,同时尽量降低Co,Ni,Fe等离子的含量防止发光猝灭[6]。另外,Zn S型发光粉的废料处理费用高,对人体和环境有危害,限制了该类发光釉的进一步使用[7]。基于以上种种原因,这类发光釉产品至今没有得到大规模的生产应用。
1.2 稀土激活的铝酸盐类陶瓷发光釉
1992年新型稀土离子激活的碱土铝酸盐长余辉发光材料开始出现,并在1998年前后应用于陶瓷行业[8,9,10,11,12]。张玉军等[13]采用铕激发的铝酸锶基超长余辉发光粉作为发光材料系统研究了适于发光的陶瓷釉料,在无保护气氛下于1080℃下制备了具有发光初始亮度高,余辉时间长,无放射性毒害的陶瓷釉料。采用XRD、SEM等测试手段分析了发光釉料的相组成,认为在釉料的烧成过程中,发光材料与釉成分没有发生剧烈的化学反应,仍以晶体的形式存在釉层中,稀土离子以及相应的基质晶体仍然是釉料的发光中心;并且讨论了釉的化学组成和烧成条件对釉料发光性能的影响,指出釉的化学组成中Sr O、Al2O3可制约发光体的溶解,促进发光,但是容易引起釉料失透,B2O3的加入有利于发光釉起始亮度的提高和余辉时间的延长,Na2O促进发光体熔解,影响釉料发光,而低温、快速、还原气氛的烧成工艺更有利于发光釉的发光。后来,又研制了发光陶瓷釉面砖,指出Ca2+浓度提高,容易改变发光釉的色调[14]。张希艳[15]等人利用Eu2+,Dy3+共激活铝酸锶发光粉体与基础釉料按比例混合,制备出长余辉发光釉产品。
稀土激活的铝酸盐类陶瓷发光釉发光强度高,余辉时间长,可以喷淋,丝网印刷,还可以手绘;既可做底釉,又可与堆釉颗粒做三度烧产品。目前,主要应用于建筑陶瓷行业,如:腰线砖、花片砖、导向墙砖。这类发光釉的基质是铝酸盐,而铝酸盐本身又是基础釉的成分之一,因此这类发光材料与基础釉的相容性更好;另一方面,与Zn S类发光材料相比,铝酸盐发光材料对发光猝灭元素的敏感性相对较低,可以应用于铅釉,大量使用工业级原料,生产成本低[16]。但是,铝酸盐发光材料在900℃左右就基本丧失了发光性能;而且这类陶瓷发光釉的釉面质量差,易产生釉面缺陷,色调单一,亮度不高,耐水性差[16]。总之,硫化物和铝酸盐发光材料多用于低温釉,应用范围比较窄,发光性能不理想,釉面质量不高[16]。随后,许多学者考虑采用包覆氧化铝、氧化硅、硅酸锆和γ-Al2O3等防护层来克服使用温度低、耐水性差等缺点,并且取得了比较理想的效果;但是引起釉面质量变差、颗粒感强,在发光性能上仍存在不足[17,18,19]。
1.3 稀土激活硅酸盐类陶瓷发光釉
1975年,日本千叶工业大学和日本齿科大学[20]报道了余辉时间超过30min的Zn2Si04∶Mn2+,As3+硅酸盐长余辉材料。我国肖志国等人[21]开展了硅酸盐体系长余辉发光材料的研究,使其成为除碱铝酸盐外的另一大长余辉发光体系。于是稀土激活硅酸盐类陶瓷发光釉也开始成为陶瓷学者关注的焦点。肖志国等[7]研究了不同种类发光粉在陶瓷釉中的应用,经过对比发现:硅酸盐体系长余辉发光材料与基础釉的相容性及耐高温性能明显好于铝酸盐体系长余辉发光材料。万红峰等[22]研究了Sr2Mg Si2O7∶Eu2+,Dy3+发光粉在陶瓷釉中的应用,使用温度达到1150℃,并且讨论了发光粉的粒度和烧成工艺对釉面质量的影响。
稀土激活硅酸盐类陶瓷发光釉釉面平整光滑,釉面质量明显高于铝酸盐类,且发光材料与基础釉之间过渡自然,这是由于稀土激活硅酸盐长余辉材料与硼硅基础釉相容性好,基础釉中较高含量的硅可以抑制硅酸盐发光材料的熔融,从而不影响基础釉的铺展。与铝酸盐类陶瓷发光釉相比,硅酸盐类发光釉化学稳定性、耐水性、耐紫外光照射性较好,使用温度也高,是未来陶瓷发光釉的发展方向。但是,目前硅酸盐类发光釉色调单一、初始发光亮度和余辉时间不足,而且使用性能仍然不能适应现有陶瓷产品的需求,因此该类陶瓷发光釉与规模化生产还有差距[22,23]。
2 陶瓷发光釉制备方法及特点
发光釉一般由荧光粉,基础釉料和添加剂三部分组成,制备方法有三种[24]:(1)合成好的荧光基质、激活剂和基础釉料一起烧成;(2)把已含有激活剂的长余辉荧光粉和釉料一起烧成;(3)把所有原料一起制成釉,在烧成过程中自动生成可发光的荧光物质。第一种方法制备工艺要求严格,必须兼顾发光材料和基础釉两种烧成工艺,荧光基质容易与基础釉反应,被熔解,激活剂用量大、容易猝灭。第二种方法的优点在于荧光物质被激活,可以专业化生产发光材料,其初始亮度、余辉时间等发光性能可以保证;并且,可以包覆各种膜层,提高耐水性、使用温度等。第三种方法的缺点是工艺过程复杂,不易实现,激活剂容易与杂质离子反应,发光性能很难保证。目前,陶瓷发光釉多采用第二种方法制备的。
3 发光机理[15,25]
陶瓷发光釉的发光主要是长余辉发光材料在釉层中以悬浮形式呈颗粒状分布釉层中,经过太阳光、灯光等激发后产生长余辉发光过程。而长余辉材料主要分布于釉层中间层,表面层分布较少。因此发光釉的发光机理和长余辉发光材料的机理是一致的。针对不同的长余辉发光材料学者提出了许多模型来解释陶瓷发光釉的发光机理,有电子-空穴模型、位坐标模型、空穴转移模型和复合发光模型等[25],不同的模型都只能部分地解释长余辉发光现象的一面,具有一定的局限性,而且很多理论都停留在假设的层面,还有赖于实验的进一步证明。但比较统一的看法是:稀土离子在基质晶格中占据一定的晶格位置,而由于不同稀土离子的价态或离子半径不同,致使晶格发生畸变,从而产生缺陷能级。因为激活剂的离子彼此相距很远,这些能带不会扩大到整个晶体,而只是局部地作用。激活剂掺入后,可以在禁带中形成一些局部能级(或称杂质能级)。这些能级位于导带下面,对在导带中运动的电子起势阱作用。在光子的激发下,电子从激活剂基态能级跃迁到激发态能级,如果电子直接返回到基态能级即产生瞬时发光现象,这就是荧光发射;除此之外,由于激活离子的引入,在基质中产生了一种新的能级——陷阱能级,激发停止后,储存于陷阱能级的能量传递给发光离子,最终产生发光离子的特征发射,形成荧光。
4 工业化生产现状
目前工业生产的陶瓷发光釉大多是中低温的陶瓷发光釉,发光材料多是Zn S和铝酸盐类,使用要求苛刻。有关这两类的陶瓷发光釉制备工艺报道过于简略,总的来说,由于发光材料的类型、颗粒细度、基础釉成分、烧成温度和保温时间等的不同,产品的质量差异很大。就烧成温度而言,同一温度下快烧、慢烧、保温时间直接影响产品的发光性能,以及釉面质量等。考虑到发光釉的长余辉性能,必须保证有足够的发光材料颗粒存在于釉层中,那么就需要在保证釉面质量的情况下采用快速升温、短时间保温和快速冷却的烧成工艺。另外,发光材料与基础釉的成分对发光性能影响很大,要保证基础釉对发光材料熔解作用小,不存在猝灭离子,而且两者相容性一定要好。在国家节能减排、低碳经济的方针指导下,建筑陶瓷生产开始向低温快速烧成方向发展,烧成制度也有利于陶瓷发光釉的烧成,因此,陶瓷发光釉大规模的应用于建筑陶瓷业更为可行。
5 展望
到目前为止陶瓷发光釉的研究还有很大的局限性,从理论上来说,发光材料的能量传递机理、长余辉机理还存在很大的争议,而且发光材料与基础釉的相互作用有待进一步的深入研究。从应用上来说,对应用于建筑陶瓷工业化生产的陶瓷发光釉开发不足,最可行的稀土激活硅酸盐类陶瓷发光釉色调单一、初始发光亮度不高、余辉时间不够长,还需要加强研究,尤其是硅酸盐类陶瓷发光釉的产业应用报道较少。今后的研究可以从以下四个方面进行:
(1)从长余辉发光材料的制备入手,研究低成本的硅酸盐类陶瓷发光釉,开发颜色更加丰富,使用性能、发光性能更好的陶瓷发光釉。
(2)从制备方法入手,寻求专门应用于陶瓷发光釉的长余辉发光材料制品的研究,在此基础上,改善制釉工艺和施釉技术,使其适应陶瓷生产的工艺要求。
(3)从提高初始亮度、延长余辉时间、增加余辉多色性以及增加耐候性方面进行开发探索,这是衡量陶瓷发光有可实用化的重要依据。
(4)从扩大应用领域入手,利用陶瓷发光釉开发各种陶瓷类新产品,如公路指引标志,拓展其应用范围。
摘要：论述了长余辉陶瓷发光釉的分类、研究现状、制备方法和工业化应用现状及前景。阐述了其发光机理,指出了传统陶瓷发光釉的的不足,稀土激活硅酸盐类陶瓷发光釉将是未来陶瓷发光釉的主体,并指出了未来陶瓷发光釉研究开发的重点发展方向,展望了此类材料的发展前景。
余辉性能 篇4
为提高制品的使用寿命,需对发光粉进行表面包覆,以避免其在潮湿环境中水解。液相沉淀法是常用的包覆改性方法之一,但此法须使用水为分散介质,因而不适于铝酸盐发光粉的表面包覆。如用固相反应合成法包覆,则需对制品进行高温处理,常导致包覆不均以及引入杂质离子等缺点[6,7,8]。若使用有机包覆法,所得有机包覆层耐水性也较差,包覆效果不佳[9,10,11]。
本研究采用溶胶-凝胶包覆法,以正硅酸乙酯(TEOS)为包覆剂,对发光粉进行了表面包覆。通过对发光粉表面形貌的观察与发光粉耐水性、耐酸性及发光性的测试,探讨溶胶-凝胶包覆法的包覆效果。
1 实验部分
1.1 样品制备
实验所用原料主要有正硅酸乙酯(分析纯),天津福晨化学试剂厂;碱土铝酸盐长余辉发光粉(PLO-7系列),大连路明;无水乙醇(分析纯),沈阳市化学试剂厂;去离子水,大连路明;硫酸(分析纯)等。
将正硅酸乙酯在含有乙醇的水溶液中,用1mol·L-1的H2SO4调节溶液的pH至3～4,50℃下水解,水解反应方程式见式1。
得到含Si(C2H5O)2OH均匀透明溶液。继续搅拌15min,使之形成溶胶。加入碱土铝酸盐长余辉光粉与之混合,继续搅拌至溶胶发生溶胀现象,溶液变为凝胶,将所得凝胶干燥至溶剂完全挥发,球磨成细粉。包覆前后的样品,经喷金处理后,使用日本日立JSM-6360扫描电子显微镜观察其表面形貌。
1.2 性能测试
使用日立F4500分光光度计测试发光粉发光特性。使用B510型辉度计分别对未包覆发光粉、包覆发光粉及水浸泡发光粉的辉度进行测定,每2min记录一次辉度值。称取1g包覆发光粉加入20g去离子水充分搅拌,每3h使用数字酸度计检测其pH值。
2 结果与讨论
2.1 发光粉的表面观察
对包覆前后的样品进行了扫描电镜观察,如图1所示,包覆前发光粉的边缘较为尖锐,且断面平滑;而经包覆后,发光粉的表面均匀且粗糙,无尖锐边缘。这就表明,通过溶胶-凝胶的方法在发光粉的表面形成了明显的包覆层。
2.2 耐水性
碱土铝酸盐长余辉发光粉在与水接触时,会发生水解:
SrAl2O4+4H2O→Sr2+2OH-+2Al(OH)3↓
生成氢氧化铝沉淀和水溶性的OH-。水溶性OH-的产生,使体系pH值升高。因此可通过pH值的测定来衡量发光粉耐水性。
图2为包覆前后发光粉的耐水性。从图2可看出,未包覆的发光粉水解9h时,pH值由7.0增加至11.1。水解21h后,pH达到12.0。而经包覆后的发光粉,经21h浸泡后,pH值无明显变化,仅从6.0增加到6.5。这表明,经包覆后发光粉的水解程度低,具有较好的耐水性。
将包覆后的发光粉在去离子水中浸泡16d后,测试其辉度。如图3所示,浸泡前后包覆发光粉的辉度衰减曲线无明显差别。经10min衰减后,与未浸泡的发光粉相比,经水浸泡后包覆发光粉的辉度仅降低了0.77%。辉度测试结果也表明,包覆后的发光粉的耐水性明显提高。
2.3 耐酸性
将包覆发光粉在硫酸中浸泡8d后,测试其辉度。由图4可知,经酸浸泡前后的辉度衰减趋势相同且相差不大。辉度衰减10min时,浸泡后包覆发光粉的辉度仅比未浸泡发光粉的辉度低0.003,约1.15%。这表明经包覆后,发光粉的耐酸性增强。
以上结果表明,经溶胶-凝胶法包覆后发光粉具有良好的耐水及耐酸性。这也说明,实验采用的溶胶-凝胶法包覆法能够实现对铝酸盐系长余辉发光粉的有效包覆,提高了发光粉的环境适应能力。
2.4 发光性能
发光粉包覆前后发射光谱如图4所示。在波长为520nm处,发射光谱产生了明显的峰。经包覆后的,曲线峰高和峰面积仅略有减小。图5进一步给出了发光粉包覆前后辉度的衰减比较。包覆后的发光粉的辉度降低了0.900～0.024,约5.26%～7.90%。可见,包覆前后的发光性能并没有改变,完全不影响发光粉的使用。
3 结论
采用正硅酸乙酯(TEOS)为包膜剂,通过溶胶-凝胶法对在铝酸盐系长余辉发光粉进行了包覆,在发光粉的表面形成了明显的包覆层。经包覆后的发光粉具有较好的耐水和耐酸性,其环境适应性得以增强。此外,包覆并没有减弱发光粉的发光性。溶胶-凝胶包覆法实现了对发光粉的有效包覆,扩大了铝酸盐系长余辉发光粉的使用范围,提高了其应用潜力。
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余辉性能 篇5
当前主动雷达模拟器设计中,主要用位图进行回波信号的仿真以及回波的实时动态显示。
由于雷达是径向扫描,扇扫显示,而普通PC计算机使用的是光栅扫描;并且仿真雷达回波的位图在显存中是顺序存放的。因此在回波信号的仿真时需要进行极坐标到直角坐标的变换,以及回波消隐显示时回波数据的非顺序显示。这都需要复杂的计算。
特别在高分辨率(1024×1024)光栅显示器上,普通PC计算机要在一个屏幕刷新周期(1/60秒)内对多达上百万个像素点进行坐标变换,非顺序显示、刷新、余辉处理,不最大限度降低运算量,是无法得到逼真的、流畅显示的雷达回波消隐图像。
坐标变换、非顺序显示以及回波消隐的方法在文献[1,2,3]中有过讨论,但复杂性和计算量还是偏大。在高分辨率长余辉雷达回波仿真上的应用受到限制。
为尽可能减少运算量,本文在文献[4]中提出的动态数据表Degree[i][j]的基础上,给出一种在只经过查表不经过任何运算的情况下得到雷达回波仿真信号的算法,不仅完成雷达回波数据的坐标变换,而且解决了复杂的显存中回波数据非顺序显示的问题。并结合DirectDraw技术,在一个屏幕刷新周期(1/60秒)内对动态数据表中多达几十万甚至上百万个像素点进行刷新、余辉处理及显示, 实现雷达回波的高分辨率、全屏、长余辉显示的仿真。
1 雷达回波图形的仿真
实装雷达如果不进行回波消隐处理,当天线旋转一周后,雷达显示屏幕上应呈现为类似图1所示的图像,用“白色”代表的目标在天线扫描的过程中亮度不变。
32位位图图像质量最好。但在真实雷达显示中,目标回波颜色是同一颜色,只是根据目标对电磁波反射强弱,产生的回波强度不同,反映到显示上就是灰度不同,256级灰度可以代表回波的不同的强度,因此我们采用如图1所示的8位黑白位图仿真没有经过回波消隐的回波图。这样可大大降低图像数据的处理量。
如引言所述,如何在一个屏幕刷新周期(1/60秒)内对图1中多达几十万甚至上百万个像素点进行回波消隐处理,尽可能减少计算量是关键。
通过动态数据表的定义和DirectDraw技术的应用,本文后面讨论的雷达回波图形仿真和实时动态显示处理的计算完全通过查表取值、赋值和加减法运算完成,将计算时间减到最少。
2 基于动态数据表雷达回波信号仿真
2.1 动态数据表定义
动态数据表就是雷达显示屏幕上的回波信号(像素点),按扇扫顺序排列的数据结构。
如图2所示,将屏幕上的点以扫描中心(Ox,Oy)为圆心,按度数分成360份。建立一个2维数据表Degree[i][j],0≤i<360,0≤j<Max,Degree[i]内存放第i度内的所有回波像素点信息,Degree[i][j]存放第j个像素点信息,Max表示每一度内可能存放的最大像素点数。例如,如果雷达屏幕尺寸是N×N,(Ox,Oy)在屏幕中心,则Max=[N×N/360]+1。
每个回波点Degree[i][j]用(x,y,L,D)4个值表示。其中x、y表示该像素点的平面直角坐标,L表示该回波点的原始亮度,D表示该像素点与所在角度右边界的圆弧弧度(其大小和雷达扫描线从此点扫描到所在角度右边界的时间相对应,计算回波消隐时会用到,相对π归一化)。特殊的是,Degree[i][0].x表示Degree[i]内,即第i度内回波像素点的个数,其余三个值没有定义。当雷达扫描中心移动或雷达与目标间有相对运动时,雷达天线每旋转一周,Degree[i][j]中的回波数据都有可能要更新,所以称Degree[i][j]为动态数据表。并且动态数据表中只存放目标点回波信息,即只存放图1中灰度大于0的像素点,将其称为“亮点”。因此进行回波消隐时,只处理动态数据表中的屏幕“亮点”,不是对屏幕上所有点都处理,从而减少消隐处理时需要计算的回波像素点数量。
从上面讨论可以看出:动态数据表的建立就是雷达回波信号仿真的过程。
2.2 动态数据表的建立
如图1所示的8位黑白海岛位图,灰度有256级。用像素点灰度(亮暗程度)仿真回波的强度。
假设雷达扫描中心在屏幕的(Ox,Oy)处,其对应于位图所代表海图的(X,Y)处,则动态数据表的建立过程的算法如下:
1) 初始化Degree[i][0].x=0,0≤i<360;
2) 依次取计算机显示器屏幕坐标(px, py);
3) 计算Δx=px-Ox和Δy=py-Oy;
4) 计算雷达显示器屏幕坐标(px,py)对应于海岛位图的坐标(X1,Y1):X1=X+Δx,Y1=Y+Δy;
5) 取海岛位图(X1,Y1)处灰度(亮度)值LD;
6) 如果LD=0,返回第2)步,否则到第7)步;
7) 计算(px,py)相对(Ox,Oy)的方位角α,计算i=[α/(2π/360)]得到(px, py)所在的动态数据表的位置,对动态数据表作如下更新:
Degree[i][0].x= Degree[i][0].x+1
k= Degree[i][0].x
Degree[i][k].x=px
Degree[i][k].y=py
Degree[i][k].L=LD
Degree[i][k].D=α-i×2π/360
8) 是否循环完屏幕上的所有点,是到第9)步,否则返回第2)步;
9) 结束。
其中第7)步中的i和Degree[i][k].D的计算,可以直接通过文献[4]中的方位相对表Relative[m][n]和弧长相对表ArcLenRela[m][n]查表得到,详见文献[4],这里不多叙述。
通过以上算法,当雷达位于海图的(X,Y)时,当前雷达的回波信号保存在动态数据表Degree[i][j]中,即完成了雷达回波信号的仿真。
如果将Degree[i][j]中数据对应到显存中,Degree[i][j]的生成过程就是解决复杂的显存中回波数据非顺序显示问题的过程,即在完成雷达回波信号仿真的同时,也实现了在光栅扫描器上仿真“径向扫描”时的回波数据的非顺序显示。
我们对Degree[i][j]中的回波仿真信号进行处理就可以得到回波余辉的动态消隐图像。
3 回波余辉的消隐仿真计算
由2.2节动态数据表Degree[i][j]建立过程,可以看出,由黑白位图仿真的雷达回波信号保存在动态数据表Degree[i][j]中。雷达回波余辉的仿真计算就是对动态数据表Degree[i][j]的处理,将处理后的显示数据送给显示器显示,从而得到仿真雷达回波的全屏消隐图像。
荧光制的雷达一种典型余辉消隐函数为:
B=B0e-ζt≈B0-B0ζt (1)
其中B0是初始亮度,ζ是和荧光质有关的一常数;t是消隐时间。
由于消隐可能是全屏消隐,每一帧显示都需要对动态数据表Degree[i][j]内所有数据进行消隐计算,需要在尽可能短的时间内完成,因此所有计算需要尽可能地使用查表算法和加减运算,少用乘除计算。
在对Degree[i][j]中某一点(x,y)的实时回波消隐计算中,B0用Degree[i][j].L表示;t包含两部分,一部分是Degree[i]距离当前的扫描位置SM的整度数对应的弧度,即mod(SM-i,360)/180(相对π归一化),另一部分是Degree[i][j].D。即:
t=mod(SM-i, 360)/ 180+Degree[i][j].D (2)
mod(SM-i, 360) /180可以用查表来完成,即定义2维相对弧度表Arc[m][n];m、n∈[0,3 5 9],Arc[m][n]= mod(m-n, 360)/180。此表在系统初始化时可以一次性生成。通过此表,mod(SM-i, 360)/ 180的计算就可以通过查表得到,大大减少了计算量。
将B0ζ视为常数,则B的计算只需要一次加法(t的计算)、一次乘法和一次减法运算。即将消隐的计算降到了最低。
4 长余辉效果仿真
长余辉仿真,需要在一个屏幕刷新周期(1/60秒)内对高分辨率显示(1024×1024),8位256级灰度的黑白海岛位图中的上万,甚至几十万个“亮点”处理并显示完毕,PC计算机使用一般的图形显示处理方法是无法做到的。
PC计算机图形处理中有一种技术:DirectDraw,它的基本功能之一就是对屏幕的像素点进行操作。使用DirectDraw技术可以对显存直接进行操作,它充分发挥了计算机硬件的处理功能,可以说是当前最快的计算机图形像素处理方法。
将动态数据表和DirectDraw处理的显存对应起来,就可以极大提高回波显示速度,保证在一个屏幕刷新周期(1/60秒)内处理几十万个“亮点”并显示。
4.1 DirectDraw技术
DirectDraw 是DirectX 技术的核心,是一组视频和2D图形控制组件。它是一种软件接口,它允许用户直接对显示内存操作,快速直接存取,利用硬件的位块传输、页面切换操作和缓冲区翻转功能,使图像的显示速度足够快,能满足图像处理和显示的实时性要求。
4.2 DirectDraw主画面和后备画面
所谓画面(surface),就是指计算机显存或内存中的一块连续区域。而主画面(primary surface)就是与屏幕显示直接对应的一块显存或内存,修改主画面即修改显存就是改变屏幕的显示;离屏图面(off-screen surface),也称为后备画面,它是和主画面一模一样的画面,它不直接在屏幕上显示出来。
如果显示静止画面,那么可以直接对主画面操作;如果要显示动态画面,例如雷达回波的消隐,如果将回波显示数据直接对应到主画面上,那么图像就会产生闪烁和跳动。
为此需要将回波显示数据先对应到后备画面上,得到屏幕下一帧显示的图像,然后通过复制,将备用画面上的图像复制到主画面,完成图像的改变。利用这种办法,可以消除画面的闪烁,并且当屏幕在显示当前主画面图像时,可以同时在后备画面上形成下一帧回波图像,即提高了长余辉图像的处理和显示速度。
4.3 调色板技术
雷达的回波图像颜色是同一颜色,只是灰度不同。因此我们从24位色中取出256种颜色相同但灰度不同的色值,当雷达屏幕上某一点有回波时,随着时间的变化,赋予相应灰度色值,由亮到暗,从而仿真回波的消隐。这就可以利用DirectDraw中的调色板技术。
所谓调色板,就是建立256色索引,而这256色是从24位色中任意选取的。在调色板与主画面建立联接后,当需要给屏幕上的点赋予调色板上的某一颜色时,可以直接使用索引值操作。由于此时是对单个字节的处理,所以速度相当快。
例如我们生成如下的“白色”调色板palette:
for(int i=0; i<256;i++)
{
palette[i].peRed=i;
palette[i].peGreen=i;
palette[i].peBlue=i;
}
即调色板内共有256种色值,每个色值的红、绿、蓝三原色的深度相同,因此合成后调色板的256个色值都是白色,只是灰度不同。
当调色板与创建的主画面、后备画面连接后,对屏幕(x,y)像素点赋灰度为i的色值时,可如下赋值:
DisplayBuffer[x+y×IPitch]=i
其中DisplayBuffer 是显存数组,与主画面、后备画对应,IPitch表示水平内存的间距,x+y×IPitch就表示(x,y)对应在内存中的位置。
用索引赋值可以提高屏幕像素点赋颜色值的速度。
4.4 页面交换技术
可以用memcopy将后备画面形成的下一帧雷达回波图像复制到主画面。但memcopy是通过软件实现的,其效率低下,无法满足视频帧速率(每秒至少24帧)的要求。
这里采用DirectDraw中的Flip函数,它是利用硬件来实现备用画面到主画面的复制,几乎没有延迟,就像直接翻页一样。其原理如图3所示。
在画面交换当中,是将后备画面的内容复制到主画面,而不是将后备画面变成主画面。采用此页面交换函数,只要我们软件系统能在最低视频帧速率时间,即1/24秒内将长余辉显示数据写入后备画面,那么硬件系统就可以保证流畅无抖动的长余辉屏幕显示,当然帧速率高低还是由硬件系统决定,一般每秒60帧。
5 仿真方法的实现过程
如图4所示是基于上述讨论的雷达回波全屏长余辉计算机仿真流程图。流图中HouBeiBuffer[]表示后备画面的显存,计算每一帧画面前先要清零,即将后备画面置成全黑;ZhuBuffer[]表示主画面的显存。当动态数据表处理完毕,就在后备画面HouBeiBuffer[]内形成新的一帧显示数据,通过页面交换技术,将HouBeiBuffer[]拷贝到主画面ZhuBuffer[]内,并显示。
当扫描中心(Ox,Oy)变化,或(Ox,Oy)对应的海图坐标(X,Y)变化时,动态数据表Degree[i][j]需要重新计算。
6 结论和仿真实例
本仿真方法在降低计算量和提高显示速度上取得了以下成果:
1) 采用8位黑白位图模拟雷达回波图,即降低了图像数据处理量,又保证了回波图像的逼真。
2) 动态数据表Degree[i][j]生成,即回波仿真信号的生成过程中,只有查表取值、赋值和加减法运算;Degree[i][j]只包含图1中“亮点”;回波消隐仿真计算中只有一次乘法。
特别是,动态数据表Degree[i][j]的生成过程就是解决复杂的显存中回波数据非顺序显示问题的过程。
3) 动态数据表Degree[i][j]和DirectDraw技术的结合,进一步保证了动态数据表Degree[i][j]和回波消隐计算中像素处理的快捷性和回波长余辉消隐图像显示的流畅性。
本方法极大降低了雷达回波仿真信号数据处理量和计算量,使应用普通PC计算机实现雷达回波的高分辨率、全屏、长余辉消隐仿真成为可能。通过极限仿真实验:利用上述方法,在PIII2.6GHz主频PC上,在1/60秒时间内实现了52.59万个“亮点”(一半的雷达显示画面)的全屏消隐的处理和显示,画面连续,无抖动。一般情况下,雷达屏幕的回波点只占屏幕的一小部分,因此,此方法良好的实时处理和显示性能,可以应用在高分辨率光栅扫描显示雷达设计中。在光栅扫描显示雷达分辨率不变的情况下,可为二次信息的处理显示提供更多的时间。
图5所示是根据图4的回波消隐流程,利用主频2.6GHz的普通PC机,在高分辨率液晶显示器(1280×1024)上得到的帧速率达到60的雷达回波全屏长余辉仿真显示画面。
从图5的显示可以看出,仿真的雷达回波的全屏长余辉画面清晰,图像显示流畅。
此方法已成功运用于某型雷达模拟器的设计,仿真效果良好。
摘要：雷达地物回波信号的仿真及快速处理是雷达回波仿真显示的关键。用256色位图仿真雷达回波图像;在介绍动态数据表的基础上,给出了仿真雷达回波图像到动态数据表的生成算法,用最少的计算量实现了雷达信号仿真和雷达回波余辉的快速计算。结合DirectDraw的快速图形处理技术,在光栅显示器上仿真了高分辨率(1024×1024)雷达地物回波的全屏、长余辉消隐,仿真的雷达回波逼真,图像显示流畅。该方法已成功应用在某雷达模拟器的研制中,验证了方法的有效性。
关键词：动态数据表,位图,雷达回波,光栅扫描,余辉
参考文献
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余辉性能 篇6
长余辉发光材料是一种功能储光材料,当其受到自然光或人工可见光的照射时,可储存光,再以可见光的形式释放,并可持续几个甚至几十个小时的发光材料,由于它具有优异的蓄光发光功能并具有高效、节能、环保的特点,自诞生之日起就引起世界范围内人们的广泛关注。
最初应用的是CaS和ZnS等硫化物材料,1993年长余辉稀土荧光粉被开发,取代了长久使用的硫化物系列材料,迎来了长余辉荧光粉的新世纪,其市场定位有两个方面:作为标志使用,如在公共建筑、安全、消防、交通、运输等领域使用的永久性警告和指示标志,可作为微光照明和装饰使用。其市场需求巨大。
当前国内外对长余辉材料的研究主要集中在两个方面:一是寻找多色长余辉材料;二是拓展应用领域。目前用的长余辉材料的发光颜色主要是单一的黄绿色(SrAI2O4:Eu2+,Dy3+),其他颜色的长余辉发光材料由于余辉性能差,还不能得以广泛应用。因此,怎样提高蓝色长余辉材料CaAI2O4:Eu2+,Nd3+的余辉亮度和延长其余辉时间以及开发新型红色长余辉材料成为众多学者关注的焦点。
1999年日本开发Eu、Mg和Ti掺杂的稀土硫氧化物红色长余辉荧光粉,并申请专利。这种红色荧光粉亮度达2 000cd/m2,但余辉时间仅60～90min,不能满足市场需要。国内许多单位在研制开发长余辉红粉,但都以其“亮度低,只有10 000～15 000 cd/m2,余辉时间短,只有60 min”而无法推广应用。
我们制备的Y2O2S:Eu3+,Ca2+,Ti4+红色长余辉粉发光颜色纯、发光亮度高达45 010 cd/m2且具有120 min长时间余辉特性。
1 原料的预处理
目前市售原材料的纯度和颗粒度及粒度分布都不尽人意,而原材料纯度低,颗粒度分布性能差,生产的荧光粉杂相就多,粉的亮度低,因而难以生产出良好晶体的荧光粉。
为此,我们将购买的下列原料分别采用:沉淀法、吸附法、升华法等方法进行提纯,并相应进行粒度分布处理。
①氧化钇(Y2O3,纯度为99.995%)
②氧化铕(Eu2O3,纯度为99.995%)
③氧化镁(MgO,纯度为99.95%)
④二氧化钛(TiO2,纯度为99.95%)
⑤碳酸钙(CaCO3,纯度为99.95%)
⑥硫磺(S,纯度为荧光级)
⑦硼酸(H3BO3,纯度为99.95%)
⑧碳酸钠(NaCO3,纯度为99.95%)
⑨磷酸二氢钾(KH2PO4,纯度为99.95%)
2 合成工艺试验
试验条件:采用高温固相扩散法合成试样。将所需的上述原料按一定比例,放入球磨坛并加入一定数量的塑料球,混合滚动7～8 h,过筛200目后,分别装入200 mL的刚玉坩埚,在1 300℃氮气保护下,焙烧3.5 h。取出粉碎,产物经多次水洗除去助溶剂后,在使用低温隧道窑200～300℃烘干4 h。过筛100目,即得产品。使用中国计量学院光电子技术研究所生产的余辉亮度测量仪进行测量,电子秒表计时,人工读数,样品在6 500 K,照度为1 000 lx光源下照射10 min后,测定样品的余辉初始亮度和时间(初始亮度为停止激发后3 s的亮度值)。并使用百特BT-2003激光粒度仪对样品进行粒度测试。
2.1 长波红色荧光粉Y2O2S:00.05Eu3+焙烧温度选择性实验。
根据灯用稀土三基色荧光粉红粉(Y2O2:Eu3+)的生产工艺,将氧化钇、氧化铕、硫、碳酸钠、磷酸二氢钾均匀混合,在1 200～1 350℃下,进行反复多次试验,得到Y2O2S:0.05Eu3+,用于阴极射线管(CRT)。荧光粉相对亮度和发射光谱数据如表1所示:(采用杭州远方厂生产的PMS-50光谱分析仪和相对亮度仪,以BaSO4为“零”参比,日亚产的Y2O2S:Eu3+粉亮度为100%参比)。
从表1中数据,选取了Y2O2S:0.05Eu3+荧光粉的最佳合成温度为1 300℃,并确定焙烧时间为3.5 h。Y2O2S:0.05Eu3+荧光粉具有较高的发光效率和色纯度,但不具备余辉特性。
2.2 长余辉材料的掺杂实验
通过在荧光粉的原料中添加特殊杂质,从而产生杂质能级,能够获得有余辉的发光材料。余辉时间的长短与储存在杂质能级中的电子数量及吸收的能量有关。
根据有关文献的报导,在合成Y2O2S:0.05 Eu3+荧光粉的基础上,掺杂一定浓度的Ca2+,Ti4+离子,经多次平行实验,找出了合成“高亮度、长余辉”红色荧光粉的理想合成工艺。
2.3 Ti4+单掺杂实验
在合成Y2O2S:0.05 Eu3+荧光粉工艺的基础上,引入Ti4+离子,其Ti4+离子的加入量从0.02～0.05摩尔浓度进行实验(以Y2O2S:0.05Eu3+为1摩尔数),结果如表2中数据所示。
表2中数据显示,选择Ti4+离子加入量为0.035摩尔浓度为最佳值。
2.4 Ca2+单掺杂实验
为了尝试改变材料的余辉性能,在合成Y2O2S:Eu3+荧光粉工艺的基础上,引入Ca2+离子,其Ca2+离子的加入量从0.01～0.03摩尔浓度进行实验(以Y2O2S:0.05Eu3+为1摩尔数),结果如表3中数据所示。
从表3中数据显示,选择Ca2+离子加入量为0.0175摩尔浓度为最佳值。
2.5 Ti4+、Ca2+的共掺杂实验
总结上述试验结果,考虑到Ti4+、Ca2+的离子并存时,二者间可能会互相影响,并有可能影响到产品的余辉亮度和余辉时间,为此,进行了正交平行实验。
2.5.1 选择Ti4+离子加入量为0.035摩尔浓度,Ca2+离子摩尔浓度为变量,实验数据如表4所示。
2.5.2 选择Ca2+离子加入量为0.016摩尔浓度,Ti4+离子摩尔浓度为变量,实验数据如表5所示:
从表4和表5得出,当引入共掺的杂质离子时,其样品的余辉亮度和余辉时间均有明显改变。并且可知:当选择Ca2+离子加入量为0.016摩尔浓度,Ti4+离子摩尔浓度为0.035时,其样品的余辉亮度和余辉时间会更好。
3 样品制备
根据上述实验结果,按Y2O2S:0.05Eu3+,0.016Ca2+,0.035Ti4+的化学计量比,准确称取经过预处理的氧化钇(Y2O3,纯度为99.995%)、氧化铕(Eu2O3,纯度为99.995%)、氧化钛(TiO2,纯度为99.95%)、碳酸钙(CaCO3,纯度为99.95%)、硫磺(S,纯度为荧光级)和适量助熔剂一并放入球磨坛,滚动混合7 h,过筛200目后,然后分别装入200 mL的刚玉坩埚,在1 300℃氮气保护下,焙烧3.5 h。取出粉碎,产物经多次水洗除去助溶剂后,在200℃烘干,过筛100目,即得样品。
4 样品的测试情况:
(1)使用荷兰Philips XL30型扫描电镜照片,从扫描电镜照片中可以看到,六方晶体Y2O2S:Eu3+,Ca2+,Ti4+的形态相当清晰,电镜照片图如图1所示:
(2)百特BT-2003激光粒度仪对样品进行粒度测试,样品粒径D50为26 um;
(3)使用中国计量科学研究院生产的余辉亮度测量仪进行测量,电子秒表计时,人工读数。样品在6 500 K,照度为600 lx光源下照射30 min后,测定出样品的余辉初始亮度(停止激发后5 s的亮度值)为4 600 mcd/m2和余辉时间(到人眼的最小分辨率0.32 mcd/m2)为127 min
(4)用PMS-50光谱分析仪进行测试:发光波长为625 nm。
(5)样品在中国计量科学研究院测试结果如表6所示
相对光谱测量结果见图2所示。
5 结论
经济快速增长所产生的巨大资源需求和对环境污染的破坏性影响已对世界各国的可持续发展构成了严重挑战,开发节能、环保、高效的新能源成了当前各国的迫切任务。长余辉材料利用日光即可实现可持续发光,是一种绿色洁净能源,在节能照明领域的指示灯及广告牌上应用日益广泛。
我们以Y2O2S为基质,以Eu3+离子为激活离子,以Ca2+和Ti4+离子为共掺杂离子,形成了一定深度电子陷阱,从而获得“高亮度、长余辉”蓄光型红色荧光粉,为夜光三基色合成打下基础,保证夜光的显色性,推进了微光照明的发展。
摘要：简单介绍了目前国内外长余辉荧光粉的现状,简述高亮度、长余辉的红色荧光粉原材料的预处理方法;介绍该荧光粉的最佳合成工艺试验及制备工艺;给出该粉的蓄光和发光特性。