自古以來,人類就喜歡光明而害怕黑暗,夢想能隨意地控制光,現在我們已開發出很多實用的發光材料。在這些發光材料中,稀土元素起的作用很大,稀土的作用遠遠超過其它元素。
壹、稀土發光材料
物質發光現象大致分為兩類:壹類是物質受熱,產生熱輻射而發光,另壹類是物體受激發吸收能量而躍遷至激發態(非穩定態)在反回到基態的過程中,以光的形式放出能量。以稀土化合物為基質和以稀土元素為激活劑的發光材料多屬於後壹類,即稀土熒光粉。稀土元素原子具有豐富的電子能級,因為稀土元素原子的電子構型中存在4f軌道,為多種能級躍遷創造了條件,從而獲得多種發光性能。稀土是壹個巨大的發光材料寶庫,在人類開發的各種發光材料中,稀土元素發揮著非常重要的作用。 自1973年世界發生能源危機以來,各國紛紛致力於研制節能發光材料,於是利用稀土三基色熒光材料制作熒光燈的研究應運而生。1979年荷蘭菲利浦公司首先研制成功,隨後投放市場,從此,各種品種規格的稀土三基色熒光燈先後問世。隨著人類生活水平的不斷提高,彩電已開始向大屏幕和高清晰度方向發展。稀土熒光粉在這些方面顯示自己十分優越的性能,從而為人類實現彩電的大屏幕化和高清晰度提供了理想的發光材料。 稀土熒光材料與相應的非稀土熒光材料相比,其發光效率及光色等性能都更勝壹籌。因此近幾年稀土熒光材料的用途越來越廣泛,年用量增長較快。 根據激發源的不同,稀土發光材料可分為光致發光(以紫外光或可見光激發)、陰極射線發光(以電子束激發)、X射線發光(以X射線激發)以及電致發光(以電場激發)材料等。二、光致發光材料—燈用熒光粉
燈用發光材料自70年代末實用化以來,促使稀土節能熒光燈、金屬鹵化物燈向大功率、小型化、低光衰、高光效、高顯色、無汙染、無頻閃、實用化、智能化、藝術化方向發展。主要用於各類不同用途的光源,如照明、復印機光源、光化學光源等。其中三基色熒光粉(由紅、綠、藍三種稀土的熒光粉按壹定比例混合而成)制成的節能燈,由於光效高於白熾燈二倍以上,光色也好,受到世界各國的重視。稀土發光材料的質量提高和應用技術的發展,推動了新壹代節能光源的科研、生產、應用,並帶動了許多相關行業的發展,配套能力不斷增強。 典型的熱陰極熒光燈是在玻璃管內壁塗有熒光粉,在紫外線激發下發出可見光。當燈通電時,封裝在燈兩端的鎢絲電極之間放電。主要是通過熒光粉將短波輻射轉變成可見光而發光。稀土三基色熒光燈,它含有釔、銪和鋱稀土熒光粉,能發出更亮的光,比標準熒光燈更接近太陽光譜。同時這種光可以節省50%的能耗,三基色熒光粉是將三種發射窄帶紅(611nm)、綠(545nm)和蘭(450nm)色光譜的三種熒光粉混合而成。燈管先塗壹薄層鹵磷酸鹽熒光粉,然後再塗壹薄層三基色熒光粉。每支三基色熒光燈管平均含4.5克熒光粉,其中包括60%Eu3+摻雜的氧化釔(紅粉)、30%Tb3+激活的鈰鎂鋁酸鹽(綠粉)和10%Eu2+激活的鋇鎂鋁鹽(藍粉)。 三基色熒光粉常用的稀土激活熒光體有:紅粉:銪(Eu3+)激活的氧化釔、有時用Bi3+***摻雜
藍粉:銪(Eu2+)激活的矽酸鹽基質
銪(Eu2+)激活的鋁酸鹽基質
銪(Eu2+)激活的氯磷酸鹽基質
銪(Eu2+)激活的鋇鎂鋁酸鹽
綠粉:鋱(Tb3+)、鉍(Bi3+)和鈰(Ce3
+)激活的鎂鋁酸鹽
鋱(Tb3+)和釓(Gd3+)激活的鎂鋇鋁酸鹽
1.稀土節能燈
稀土熒光粉主要應用於辦公室、百貨商店和工廠中的高性能熒光燈。80年代中期以來,隨著含鋱較少的較便宜的熒光粉開發成功,這種節能燈的應用迅速增長。90年代中期,國際上推出了TMT2直管型熒光燈,管徑僅7mm,功率為6W~13W,光效為621m/W。T5直管型熒光燈管徑為16mm,功率14W~35W,28W熒光燈光效可達104m/W,壽命大於16000h。我國新開發的大功率強光型55W~120W適用於室外照明的稀土緊湊型節能熒光燈管,光效801m/W以上。 新壹代高頻環保節能燈管T5熒光燈管,是理想的節能照明光源。燈管的特點是塗敷稀土三基色熒光粉為發光體,采用固態汞減少二次汙染及高頻電點燈的新技術,光效高、光色好、無頻閃、提高了光的質量、縮短了工序、降低了能耗、減少了汞汙染、凈化了生產環境、提高了生產效率,是今後幾年大力推廣的產品,市場前景優於當前的緊湊型節能熒光燈。 近年國際上又推出加強型T5高頻節能熒光燈管,提高了單位面積的光通量,充分發揮了細管徑高光通的作用。 上海東利照明電器有限公司、江南節能燈廠、華星光電實業公司等單位近日以推出大功率、高光通、高顯色、強光型緊湊型節能熒光燈。華星光電實業公司研制生產的T5管徑55W~85W E40、E27燈頭,體積與功率250W以下的高壓汞燈、高壓鈉燈大致相同,顯色指數Ra>80,適用於室外照明。 節能燈是綠色照明工程的重要組成部分,推廣使用稀土三基色節能燈是節約能源、保護環境的有效措施之壹。2.稀土熒光粉用其它類型燈
(1)汞燈
稀土熒光粉用於高壓汞燈中已有多年。這種燈的原理是利用氬氣和汞蒸汽中的放電作用,它的光強度高於熒光燈。所用銪激活的鋇酸釔熒光粉起改善光色作用。高壓汞燈的主要應用是街道和工廠照明,這種場合需要強的白光。但是,近年來鈉放電燈和金屬鹵化物HQT燈已代替了高壓汞燈,它的市場已衰落。鈉放電燈和金屬鹵化物HQT燈比汞燈的顏色再現性好,發天然白光。美國通用電報電話公司麻省實驗室的研究人員已經研究出壹種改良型低色溫用的汞燈。將鈰激活的鋇酸釔熒光粉混入,制成400W的暖色汞燈,照明度25500流明,色溫3350K,比普通汞燈的穩定性好、效率高。(2)碳弧燈
稀土氟化物加入到棒芯中,使弧光強度提高到10倍,同時弧光顏色由淺黃色變為接近日光色。這種碳弧燈用作探照燈以及彩色電影攝像和放映。(3)高壓鈉燈
高壓鈉燈中用半透明氧化鋁作弧型管材料,氧化鋁中添加少量氧化鎂和氧化釔作燒結助劑來改善材料的光學性質,為了增強氧化鋁的半透明度,氧化釔的粒徑應在25微米左右。若粒徑太大則會降低強度。目前高壓鈉燈中存在的問題是稀土雜質偏析導致鈉浸蝕氧化鋁管。