ZnS:Mn2+摩擦/力致发光材料的制备、性能及力学传感研究

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摩擦/力致发光是指材料受到摩擦、刮划、挤压、撞击、拉伸、压缩等机械刺激所表现出来的发光现象。摩擦/力致发光材料在照明、显示系统、机械传感器、航空航天和军事装备损伤检测、陶瓷材料裂纹监测等方面具有极大的应用价值,近些年对于摩擦/力致发光材料的研究也越来越广泛而深刻。然而,目前对摩擦/力致发光的研究依旧缺乏理论深度以及应用开发的广度。本论文以典型的摩擦/力致发光材料ZnS:Mn2+为基础,对摩擦/力致发光的发光特性、发光机理和力学传感性能等展开了研究,本文的主要内容可分为以下三个方面:(1)采用了高温固相法合成了闪锌矿结构的ZnS:Mn2+摩擦/力致发光粉末,Mn2+的掺杂浓度为0.6%-2.8%。通过紫外-可见吸收光谱的测试证实了Mn2+已经掺入了ZnS晶体内并取代了Zn2+的格位。其光致发光光谱显示除了在Mn2+发光中心4T16A1的585nm处的橙黄色光发射外,还存在归属于锌空位导致的470nm处的光发射。将ZnS:Mn2+与环氧树脂材料进一步复合,制备出了硬质摩擦/力致发光弹性体来,在施加应力的作用下,硬质弹性体只呈现出585nm的橙黄色的摩擦/力致发光,且ZnS:Mn2+的光致发光和摩擦/力致发光的最佳Mn2+掺杂浓度分别为1.8%和0.9%。通过热释光谱测试,分析了ZnS:Mn2+在机械刺激前后陷阱深度和载流子密度的变化,并对ZnS:Mn2+的摩擦/力致发光机理进行了详细探讨。(2)采用高温固相法分别合成了闪锌矿和纤锌矿的ZnS:Mn2+摩擦/力致发光粉末,Mn2+的掺杂浓度均为1.0%。将闪锌矿结构的ZnS:Mn2+与环氧树脂进行复合,制备了硬质摩擦发光材料。对ZnS:Mn2+/环氧树脂复合材料分别施加两种不同的力学刺激,研究了其力学传感性能:在旋转摩擦试验机上对复合材料表面施加1-10N的载荷时,一定负载范围内的摩擦/力致发光强度是随载荷呈线性增加;在万能试验机上对整体复合材料增加载荷至2000N,发现压力在0-1300N的范围内,摩擦/力致发光的强度随着压力线性增大。另外,将纤锌矿的ZnS:Mn2+与PDMS进行复合,制备了柔性摩擦/力致发光复合材料。分别对ZnS:Mn2+/PDMS复合材料施加两种不同的力学刺激(即摩擦力和按压应力),同样可以看到,随着力学刺激的变大,摩擦/力致发光强度也随之线性增大。通过建立ZnS:Mn2+摩擦/力致发光材料的力学刺激与发光强度的关系,可以指导摩擦/力致发光材料在力学传感领域的应用设计和开发。(3)设计了一种全新结构的力学传感器,通过条纹与海绵体组成的三明治结构的设计,将三种不同机械刺激(摩擦力、拉伸应力、按压应力)分别分配到器件的三个不同层。然后选择了对摩擦力敏感的BSSON:Eu2+(绿色摩擦发光)复合材料作为摩擦传感层,对拉伸应力敏感的MCP:Eu2+(蓝色摩擦发光)复合材料作为拉伸/弯曲传感层,对按压敏感的ZnS:Mn2+(橙黄色摩擦发光)复合材料作为按压传感层。测试了器件在不同力学刺激下的发光响应,发现该力学传感器件能够定性和定量地感应不同的力学刺激行为。将该传感器件安装到假肢手指上作为智能皮肤或是置于水下工作,依旧能够实现相应力学刺激响应,且具有一定的抗力学疲劳性能。因此,所设计的多功能力学传感器在可穿戴系统、智能机器人等领域具有重要的应用前景。
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