一种近红外区应力发光材料及其制备方法

本发明属于应力发光功能材料科学，涉及一种近红外区应力发光材料及其制备方法。

背景技术：

1、无机应力发光材料在受到机械刺激时产生光发射，可实现应力分布的可视化观测，在应力传感、结构健康诊断、照明显示等领域展现出广阔的应用前景。目前所开发的非破坏性应力发光材料主要包括光辐照恢复型和自恢复型两类。光辐照恢复型应力发光材料需要辐照充能后才可产生应力发光，不适合缺乏光激励的应用场景。相比之下，自恢复型应力发光材料不需要辐照充能，在循环机械刺激下应力发光强度保持稳定，适合缺乏光激励的应用场景。例如生物体内部应力成像，当应力发光材料置于生物体内部时，紫外光和可见光受限于较低的组织穿透能力，不能满足即时辐照充能的要求。无需辐照充能的自恢复型应力发光材料就较适合应用于缺乏或需要避免光激励的场景。同时，自恢复型应力发光材料的使用可使探测系统的体积得以缩小，应用成本得以降低。

2、然而，自恢复型应力发光材料十分匮乏，并且发射波长局限在可见波段，最具代表性的自恢复型应力发光材料zns:cu/mn2+还存在浸水环境应力发光猝灭的问题。相较于可见波段光，近红外波段光具有良好的生物组织透过性，在防伪、安全加密、生物力学成像方面极具应用潜力。因此，开发近红外区自恢复型应力发光材料十分必要。作为一种具有非破坏性、原位、实时和非接触的力-光响应的材料，近红外区自恢复型应力发光材料也将在应力传感、结构健康监测等领域展现巨大的应用潜力。

技术实现思路

1、本发明的目的在于公开一种近红外区应力发光材料及其制备方法。

2、本发明所公开的近红外区应力发光材料的化学表达式为m2-x-ycrxaygeo4，其中m选自碱土金属元素mg、ca、sr、ba中的一种或多种，a选自碱金属元素li、na、k中的一种或多种，x、y表示摩尔百分含量，0<x ≤ 0.15，0 ≤ y ≤ 0.15。

3、本发明所公开的近红外区应力发光材料采用固相合成法在空气环境中制备，包括以下步骤：

4、a)按照元素化学计量比分别称取碱土金属原料、cr原料、碱金属原料和ge原料，加入适量去离子水或无水乙醇，充分研磨后烘干得到混合粉料；

5、b)将步骤a)所得的混合粉料在空气中煅烧，煅烧温度介于1200℃~1500℃之间，煅烧时间介于3~9小时之间；

6、c)将步骤b)所得的煅烧产物冷却后研磨成粉即得到近红外区应力发光材料。

7、本发明所公开的固相合成法制备近红外区应力发光材料，其特征在于，所述碱土金属原料包括碱土金属元素的碳酸盐、氧化物、硫化物、卤化物及过氧化物的一种或多种的组合；所述cr原料包括cr氧化物、硝酸盐及碳酸盐的一种或多种的组合；所述碱金属原料包括碱金属元素的碳酸盐、氧化物、硫化物、卤化物及过氧化物的一种或多种的组合；所述ge原料包括ge氧化物、硫化物及卤化物的一种或多种的组合。

8、将制得的近红外区应力发光材料粉料与光学透明的有机高分子弹性材料（如聚乙烯(pe)、聚苯乙烯(ps)、聚丙烯(pp)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚氨酯树脂、环氧树脂、硅橡胶等）混合，制成薄膜或树脂体或涂覆于待测部件表面，可将该部件所受机械刺激（压力、拉力、摩擦力、冲击力等）转换为光发射，实现应力分布可视化。

9、本发明所制得的近红外区应力发光材料，其特征在于，材料的发射波长的覆盖范围介于700nm~1700nm之间。

10、本发明所制得的近红外区应力发光材料，其特征在于，材料具有自恢复应力发光性能，无需预辐照充能，在循环的机械刺激（压缩、拉伸、摩擦等）下可实现稳定的近红外波段应力发光。

11、本发明所制得的近红外区应力发光材料，其特征在于，材料的应力发光强度与所施加的载荷强度成正比。

12、本发明的有益效果为:

13、(1)本发明所述的近红外区应力发光材料，采用传统的固相反应方法制备，空气氛围下制备，制备工艺简单、条件容易控制，制备过程中无有毒气体生成，设备要求低、成本低廉。

14、(2)本发明所述的近红外区应力发光材料，可与光学透明的高分子聚合物（如聚二甲基硅氧烷、硅橡胶、环氧树脂胶等）混合，制成薄膜或树脂体、或涂覆于待测结构表面，从而将其所受机械刺激（压力、拉力、摩擦力、冲击力等）转换为应力发光。

15、(3)本发明所述的近红外区应力发光材料，其应力发光不需要预辐照充能，适合缺乏光激励的应用场景，可以缩小探测系统的体积，降低应用成本，节约资源。

16、(4)本发明所述的近红外区应力发光材料，具有自恢复应力发光性能，无需预辐照充能，在循环的机械刺激可实现稳定的近红外区应力发光。

17、(5)本发明所述的近红外区应力发光材料，应力发光强度与所施加的载荷强度成正比。

18、(6)本发明所述的近红外区应力发光材料，可实现非破坏、原位、实时和非接触的力学检测，可广泛用于应力传感、防伪、结构健康监测、生命科学领域。

技术特征：

1.一种近红外区应力发光材料，其特征在于，所述应力发光材料的化学表达式为m2-x-ycrxaygeo4，其中m选自碱土金属元素mg、ca、sr、ba中的一种或多种，a选自碱金属元素li、na、k中的一种或多种，x、y表示摩尔百分含量，0 < x ≤ 0.15，0 ≤ y ≤ 0.15；所述材料具有自恢复应力发光性能，无需预辐照充能，在循环的机械刺激下可实现稳定的近红外波段应力发光。

2.如权利要求1所述的近红外区应力发光材料，其特征在于，所述应力发光材料的发射波长的覆盖范围介于700nm~1700nm之间。

3.如权利要求1所述的近红外区应力发光材料，其特征在于，所述应力发光材料的应力发光强度与所施加的载荷强度成正比。

4.如权利要求1所述的近红外区应力发光材料的制备方法，其特征在于，所述应力发光材料采用固相合成方法在空气环境中制备，制备过程中包括以下步骤：

5.如权利要求4所述的近红外区应力发光材料的制备方法，其特征在于，所述碱土金属原料包括碱土金属元素的碳酸盐、氧化物、硫化物、卤化物及过氧化物的一种或多种的组合；所述cr原料包括cr氧化物、硝酸盐及碳酸盐的一种或多种的组合；所述碱金属原料包括碱金属元素的碳酸盐、氧化物、硫化物、卤化物及过氧化物的一种或多种的组合；所述ge原料包括ge氧化物、硫化物及卤化物的一种或多种的组合。

6.如权利要求1所述的近红外区应力发光材料，其特征在于，将制得的应力发光材料粉料与光学透明的有机高分子弹性材料混合后，制成薄膜或树脂体或涂覆于待测结构表面，可将外部应力刺激转换为光能发射，实现应力分布检测。

技术总结本发明涉及一种近红外区应力发光材料及其制备方法，该材料的化学表达式为M<subgt;2‑x‑</subgt;<subgt;y</subgt;Cr<subgt;x</subgt;A<subgt;y</subgt;GeO<subgt;4</subgt;，其中M选自碱土金属元素Mg、Ca、Sr、Ba中的一种或多种，A选自碱金属元素Li、Na、K中的一种或多种，x、y表示摩尔百分含量，0<x≤0.15，0≤y≤0.15。该材料具有近红外区自恢复应力发光特性，无需预辐照充能，在循环的机械刺激下可实现稳定的近红外波段应力发光。该材料可实现非破坏、原位、实时和非接触的力学检测，可广泛应用于应力传感、防伪、生命科学等领域。技术研发人员：张君诚,霍能梦,常见庆,蔡忆雨受保护的技术使用者：中国海洋大学技术研发日：技术公布日：2024/6/23