具有应力响应功能的SrAl2O4:Eu发光薄膜的设计、制备及性能研究

应力发光薄膜能够将被测物体内部缺陷以光的形式在线可视化，可以对精密机械因长期受到工作环境和疲劳载荷而导致的不同程度的破损、裂纹等进行实时在线无损监测，因此作为一种新型的检测技术逐渐成为国际上无损微检测技术的研究热点。但仍处于研究的初级阶段，还有很多技术问题需要完善改进。本项目拟通过对合成方法、不同缓冲层以及其他影响因素来综合研究在钢板以及合金基板上合成高性能应力发光薄膜；通过理论计算和试验测试的方法来研究应力在发光薄膜中的传导深度，研究薄膜厚度与应力响应灵敏度之间的关系，进而确定最佳薄膜厚度；通过在应力发光薄膜表面修饰高分子材料和透明无机材料以提高薄膜的弹性和抗湿性，从而增强应力发光薄膜的亮度和使用寿命；通过对弹性材料修饰后的薄膜微观结构、应力发光性能的变化等来揭示影响应力发光薄膜机械能转化为光能效率的因素。研究成果可为应力发光薄膜的合成方法及参数的选择、薄膜传感器的研究等提供理论依据。

本项目按照实验计划从SrAl2O4:Eu应力发光薄膜的制备、利用弹性树脂修饰薄膜表面以及薄膜应力发光机理进行研究，取得以下结果：.1. 采用异质-同质双缓冲层的方法，以200nm厚Al2O3薄膜和600nm厚SrAl2O4:Eu作为异质缓-同质冲层来消除SrAl2O4:Eu与基板的热膨胀系数和晶格之间较大的差别，成功在Si基板上制备2um厚SrAl2O4:Eu应力发光陶瓷薄膜。并且所制备的SrAl2O4:Eu/Al2O3/Si发光薄膜保持了稳定的摩擦应力发光特性，持续旋转数百个周期，其应力发光强度保持不变这为我们未来将此发光薄膜用作应力发光传感器奠定基础。.2. 选择硅胶作为弹性组分，与SrAl2O4:Eu纳米颗粒均匀混合，利用印刷的方法在钢基板上制备均匀应力发光复合薄膜。目前已经制备厚度可控，并具有良好发光性能高弹性SrAl2O4:Eu/Si Rubber薄膜。由于SrAl2O4:Eu颗粒均匀的分散到Si Rubber中，阻止了外界水蒸气与SrAl2O4:Eu颗粒的接触，解决了SrAl2O4:Eu遇水易分解的缺点。并且应力发光强度与应力之间呈良好的线性关系，这说明利用应力发光薄膜可以实现对物体所受应力进行精密检测，更为重要的是应力发光测试结果表明能够在0-5 N内实现高灵敏度检测。.3.结合热释发光、光致发光以及应力发光光谱探究了应力发光的机制。结果表明SrAl2O4:Eui发光薄膜应力发光光谱与其光致发光光谱一致，其峰值位于521 nm，这说明所制备发光薄膜的应力发光也应归结于Eu2+的5d→4f（4f65d组态到基态4f7）跃迁发光。同时，热释发光的结果表明发光薄膜中存在大量的陷阱，且通过不同温度热释发光曲线的结果估算发光薄膜中陷阱的深度为0.7436eV。这些结果说明SrAl2O4:Eu发光薄膜所具有的良好的应力发光性质可能是由施加应力引起的物体晶格形变所产生的能量，诱导陷阱中存在电子重新返回发射能级而产生的发光。.4. 利用光电倍增管、超声发生器组装了薄膜声致应力发光检测装置，可以采集应力发光强度数据。利用该装置测试的结果表明，SrAl2O4:Eu陶瓷膜以及高弹性复合膜均可被超声所引起的振动激发而产生应力发光性能；并利用该装置研究了10-100N高频微弱力作用下的应力发光。研究结果表明SrAl2O4:Eu应力发光薄膜能够很好的检测高频超声振动。