【文章內(nèi)容簡介】 echanoluminescence)。用于激發(fā) TL 的機(jī)械能有多種形式。如熱震動 , 它可以產(chǎn)生應(yīng)力、 裂紋和晶體相變 。 迅速結(jié)晶 ,它也可以產(chǎn)生應(yīng)力和裂縫 。 還有由碰撞、 摩擦晶體而產(chǎn)生的各向異性壓力和流體在固體表面運動等。 大量的 研究表明，應(yīng)力發(fā)光的特性是其發(fā)光強(qiáng)度與受力物體的形變成正比關(guān)系， 這樣物體內(nèi)部的破損 等 產(chǎn)生的形變就可以用應(yīng)力發(fā)光的強(qiáng)弱來指示 [26,27]。 為了讓應(yīng)力發(fā)光能夠更好地反映出 物體受力時 的形變情況，通常將 發(fā)光體做成薄膜 覆蓋到被測物體的表面。 日本產(chǎn)業(yè)綜合研究所 Xu等率先 通過合成高配向性的 ZnS:Mn 應(yīng)力發(fā)光薄膜，成功的將陶瓷在摩擦以及撞擊過程中的形變可視化（見圖 21） [28]。 同時，其課題組進(jìn)一步的研究表 明應(yīng)力薄膜的方法可以將鋁板等內(nèi)部缺陷可視化； 并且通過研究應(yīng)力發(fā)光強(qiáng)度與物體的關(guān)系，可以將物體的破損程度定量，從而實現(xiàn)了用應(yīng)力發(fā)光薄膜對物體內(nèi)部缺陷等進(jìn)行預(yù)測 [29]。更為重要的是美國 Nebraska 大學(xué)的 Saraf 等的 研究表明納米級的應(yīng)力發(fā)光薄膜能夠?qū)ξ⑿〉膽?yīng)力形變產(chǎn)生響應(yīng) [30]。所有這些研究成果表明采用應(yīng)力發(fā)光薄膜的方法能實時在線得 將精密機(jī)械故障可視化，從而實現(xiàn)對故障的準(zhǔn)確診斷和預(yù)測，防患于未然。 圖 21 高配向性 ZnS:Mn 薄膜的撞擊和摩擦發(fā)光照片 [26] 10 作為一種新興的傳感器，應(yīng)力薄膜發(fā)光傳感器的研制仍然存在很多困難。首先硫化物（ ZnS,CdS）的應(yīng)力發(fā)光強(qiáng)度仍然很弱，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到應(yīng)用的要求；發(fā)展新的應(yīng)力發(fā)光薄膜材料勢在必行。 Xu 和 Yamada 的結(jié)果表明基質(zhì)結(jié)構(gòu)對稱性差、具有一定壓電性能的發(fā)光材料通常具有較強(qiáng)的應(yīng)力發(fā)光。 SrAl2O4: Eu 是常見的長余輝發(fā)光材料，由于其優(yōu)良的發(fā)光性能和較長的余輝，目前廣泛應(yīng)用于各種熒光標(biāo)示牌。 SrAl2O4 是一種復(fù)合氧化物，屬于單斜相 P21點群，其晶格對稱性較差，并且已有的研究表明其具有一定的壓電性能，因此Eu摻雜的 SrAl2O4具有較強(qiáng)的應(yīng)力發(fā)光，在已經(jīng)開發(fā)的應(yīng)力發(fā)光材料中，其應(yīng)力發(fā)光強(qiáng)度目前是最強(qiáng)的。因此， SrAl2O4: Eu 被認(rèn)為是一種新的有潛在應(yīng)用價值的應(yīng)力發(fā)光材料 。作為一種性能優(yōu)異的長余輝發(fā)光材料，很多科學(xué)工作者對其進(jìn)行了研究。 SrAl2O4:Eu2+的激發(fā)光譜和發(fā)射光譜分別如圖 2 圖 23所示 。 從圖 22 以看出 SrAl2O4:Eu2+的激發(fā)光譜是一寬帶 連續(xù)譜 ,存在三個激發(fā)峰 ,峰值波長分別位于 32 35 428nm 。波長在 250470nm 的紫外和可見光都可有效地激發(fā)材 料發(fā)光。 358nm 激發(fā)下 SrAl2O4:Eu2+的發(fā)射光譜如圖 23所示 。材料的發(fā)射光譜也為一寬帶連續(xù)譜 ,峰值波長 518nm ,這是典型的 Eu2+ ,離子的5d4f 躍遷發(fā)射 [31]。 圖 22 SrAl2O4:Eu2+激發(fā)光譜（λ em=518nm） 圖 23 SrAl2O4:Eu2+發(fā)射 光譜（λ em=358nm） 以實驗結(jié)構(gòu)參數(shù) (a=,b=,c=, a= b = 9 0) 作為計算初始值， 運用密度泛函理論對長余輝材料的基質(zhì) SrAl2O4 進(jìn)行了充分優(yōu)化， 從而 得到了 SrAl2O4的晶體結(jié)構(gòu)、能帶和分態(tài)密度． 從能帶圖出現(xiàn)的特殊現(xiàn)象中，找到了 SrAl2O4能作為長余輝發(fā)光材料基質(zhì)的原因 ，如圖 24[32]。 11 圖 24 SrAl2O4晶體態(tài)密度分布圖， ( a )代表總的態(tài)密度 (TDOS) 圖， ( b ) ～ ( d ) 分別代表 Sr 、Al 、 O 原子的分態(tài)密度 (PDOS) 圖 從這些調(diào)查中，我們 了解到 在已經(jīng)開發(fā)的應(yīng)力發(fā)光材料中， SrAl2O4:Eu2+是應(yīng)力發(fā)光強(qiáng)度最強(qiáng)的材料，即使在微弱的應(yīng)力下也能發(fā)出明亮的綠光，見圖 25[33]。因此， SrAl2O4:Eu2+被認(rèn)為是一種新的有潛在應(yīng)用價值的應(yīng)力 發(fā)光材料 [34]。 圖 25 高亮度 SrAl2O4:Eu2+應(yīng)力發(fā)光照片 3 選題的意義及研究思路 綜上所述可知，現(xiàn)有的各種 機(jī)械故障診斷技術(shù) 有其優(yōu)點也有其弊端，如無法實現(xiàn)大面積的實時在線的檢測等。 本課題的研究主要是 為了研究一種新穎的可以實時在線對機(jī)械故障進(jìn)行檢測的應(yīng)力發(fā)光傳感器。采用 各種 材質(zhì)為基板，如 鋼材 、 鋁板、玻璃板 等 為基板來合成 SrAl2O4:Eu2+應(yīng)力發(fā)光薄膜，并檢測其各種性質(zhì)。 12 4實驗部分 試劑 表 41 試劑數(shù)據(jù) 物品 級別 /規(guī)格 廠家 SrCO3 分析純 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司 Al2O3 分析純 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司 Eu2O3 分析純 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司 Ho2O3 分析純 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司 H3BO3 分析純 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司 乙醇 分析純 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司 E44 環(huán)氧樹脂 分析純 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司 Ep 固化劑 分析純 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司 主要儀器及表征方式 a．儀器名稱：程控箱式點爐 型號： SXL— 1216 廠家：上海精宏實驗設(shè)備有限公司 b．儀器名稱： ALB 電子天平 型號： ALB— 124 廠家：賽多利斯科學(xué)儀器有限公司 c．儀器名稱：高溫節(jié)能管式爐 型號： GWL— 1400G 廠家：洛陽市國炬試驗電爐制造有限公司 d. 儀器名稱：型光子計數(shù)器 型號： CC9692— 01 e. 儀器名稱： BioGlow 熒光燈 型號： BG— 40 13 實驗過程 SrAl2O4:Eu2+， Ho3+薄膜的制備 前期的計算 根據(jù)實驗的要求，我們所需要的試劑主要有： SrCO Al2O Eu2O Ho2O H3BO E44環(huán)氧樹脂、 Ep 固化劑。 通過計算它們分子式來對應(yīng)的稱取上述試劑的質(zhì)量，即， 的 SrAl2O4:Eu2+， Ho3+需要的 SrCO3為 ， Al2O3為 ， Eu2O3為 ， Ho2O3為 ， H3BO3為。 實驗藥品的稱量 試劑、藥品的稱量我們用的是 ALB 電子天平，把稱量好的 試劑混合到研缽中，加入乙醇進(jìn)行攪拌使它們充分混合（注：在稱量、混合以及研磨時都要保證試劑的量不能出現(xiàn)變化，以保證制備的粉體是我們所需要的粉體）。如圖 41 所示，左圖的為稱量的天平，右圖攪拌的研缽。 圖 41 ALB 電子天平 高溫固相法燒結(jié)以及還原離子制備粉體 研磨到試劑充分混合以及酒精完全揮發(fā)后，將混合好的試劑連同研缽一起放入程控箱式電爐（管式爐）里的剛玉坩堝上， 500℃燒結(jié) 3 小時，利用高溫固相反應(yīng)。冷卻后再將其放入高溫節(jié)能管式爐，在通有 H2的真空中進(jìn)行還原。即得到 SrAl2O4: α Eu2+，β Ho3+。圖 42 左圖為程控箱式電 爐，右邊為管式爐。 14 圖 42 程控箱式電爐和管式爐 研磨后初步觀測 由于燒結(jié)過后的 SrAl2O4:Eu2+， Ho3+為呈塊狀的，所以要在研缽上繼續(xù)研磨，把塊狀的SrAl2O4:Eu2+， Ho3+研磨成粉末狀的。我們用 4050um 才能通過的沙漏進(jìn)行篩選，篩選下來的即是我們所要制備的 SrAl2O4:Eu2+， Ho3+粉體。如圖 43 所示，左圖為制備的 SrAl2O4:Eu2+，Ho3+粉體，右圖為沙漏。 我們將制備的 SrAl2O4:Eu2+， Ho3+粉體拿取少部分進(jìn)行 XRD 檢測，鑒別其是否是我們所需的粉體。 圖 43 樣品和沙漏 我們將制備好的粉體在熒光燈（波長在 200— 400nm）照射下會出現(xiàn)綠光。如圖 44所示，左圖為無熒光燈照射，右圖為有熒光燈照射。 15 圖 44 樣品和熒光激發(fā)下的樣品 將粉體與高彈性樹脂混合制備薄膜 對于薄膜的制備，我們選擇采用 法，即涂抹法。 我們先選擇不同的樹脂，將樹脂跟固化劑按重量的 1:1 的比例進(jìn)行充分的混合。然后再將混合均勻的高彈性樹脂與我們制備的 SrAl2O4:Eu2+， Ho3+粉體按不同的重量比例進(jìn)行混合。我們設(shè)定樹脂與固化劑的重量比為 1:1， SrAl2O4:Eu2+， Ho3+粉體與高彈性樹脂的重量比我們設(shè)定了 1:10， ,1:2， 1:1， 6:4， 7:3，這 5種比例。 接著我們將混合物均勻的涂抹在鋁板上，等其冷卻 72小時后即制備成了 SrAl2O4:Eu2+，Ho3+薄膜。如圖 45 所示； 圖 45 薄膜樣品 將制備好的 SrAl2O4:Eu2+， Ho3+薄膜進(jìn)行 SEM 形貌觀察。 16 機(jī)械隱患模擬的設(shè)計 通過對各種的機(jī)械隱患的了解，我們設(shè)計了 3種不同的機(jī) 械隱患，分別為：側(cè)撞擊機(jī)械變形模擬、豎直撞擊機(jī)械變形模擬和機(jī)械摩擦變形模擬。圖 46是我們繪制的 CAD 示意圖，分別是側(cè)撞擊、豎直撞擊、持 續(xù)摩擦 。 17 圖 46 側(cè)撞擊、豎直撞擊、機(jī)械 摩擦 5 結(jié)果與討論 根據(jù)實驗的要求我們做了如下的實驗及其分析； XRD 圖及其分析： 10 20 30 40 50 60 7010 20 30 40 50 60 70 Intensity(a.u.)2 Th et a (o) 0 0 0 3 4 0 3 7 9 Sr0 . 9 8 5Al2O4: E u0 . 0 1Ho0 . 0 0 5 圖 51 XRD 結(jié)果 18 我們對所制作的粉體進(jìn)行 XRD 表征，圖中橫坐標(biāo)表示的為材料的 2θ角度，縱坐標(biāo)表示的是強(qiáng)度。從結(jié)果中我們可以觀察到， XRD 表征圖與