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一种元素铕和锰共同掺杂的温度探针材料及其制备方法

阅读:800发布:2020-05-11

专利汇可以提供一种元素铕和锰共同掺杂的温度探针材料及其制备方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 涉及 温度 传感技术领域,尤其涉及一种元素铕和锰共同掺杂的温度传感材料及其制备方法。所述测温材料,具有通式(1)表示的 原子 比组成:(Na1-xLix)(La1-y-z-mGdyYz)MgW1-nO6:Eum3+,Mnn4+(1);其中,x、y和z满足如下条件:0≤x≤0.5,0≤y≤0.3,0≤z≤0.3;m和n满足如下条件:0 信号 检测甄别度大。,下面是一种元素铕和锰共同掺杂的温度探针材料及其制备方法专利的具体信息内容。

1.一种基于元素铕和锰共同掺杂的测温材料,其特征在于,具有以下通式(1)表示的原子比组成:
(Na1-xLix)(La1-y-z-mGdyYz)MgW1-nO6:Eum3+,Mnn4+       (1)
其中,x、y和z满足如下条件:0≤x≤0.5,0≤y≤0.3,0≤z≤0.3;m和n满足如下条件:02.根据权利要求1所述的基于元素铕和锰共同掺杂的测温材料,其特征在于,所述测温材料具有以下通式(2)表示的原子比组成:
3+ 4+
(Na0.9Li0.1)(La0.75Gd0.1Y0.1)MgW0.997O6:Eu0.05 ,Mn0.003 (2)
其中,x=0.1,y=0.1,z=0.1,m=0.05,n=0.003。
3.根据权利要求1所述的基于元素铕和锰共同掺杂的测温材料,其特征在于,所述测温材料具有以下通式(3)表示的原子比组成:
3+ 4+
(Na0.5Li0.5)(La0.35Gd0.3Y0.3)MgW0.99O6:Eu0.05 ,Mn0.01     (3)
其中,x=0.5,y=0.3,z=0.3,m=0.05,n=0.01。
4.根据权利要求1所述的基于元素铕和锰共同掺杂的测温材料,其特征在于,所述测温材料具有以下通式(4)表示的原子比组成:
(Na1.0Li0.0)(La0.95Gd0.0Y0.0)MgW0.995O6:Eu0.053+,Mn0.0054+    (4)其中,x=0.0,y=0.0,z=0.0,m=0.05,n=0.005。
5.根据权利要求1所述的基于元素铕和锰共同掺杂的测温材料,其特征在于,所述测温材料的形态为粉体、薄膜或陶瓷。
6.一种制备权利要求1-5任一项所述的基于元素铕和锰共掺杂测温材料的方法,其特征在于,包括以下步骤:
按所述的原子比分别称取含元素Na、Li、La、Gd、Y、Eu、Mg、W和Mn的化合物,将所述化合物研磨煅烧,冷却至室温经研磨后得到测温材料;或,
按所述的原子比分别称取含元素Na、Li、La、Gd、Y、Eu、Mg、W和Mn的化合物,将所述化合物溶于后得到混合溶液,往混合溶液中加入有机酸,经过干燥后形成凝胶,烧结所述凝胶得到测温材料。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述化合物为含元素Na、Li、La、Gd、Y、Eu、Mg、W和Mn的硝酸盐。
8.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述有机酸为柠檬酸
9.一种利用权利要求1-5任一项所述的测温材料得到待测环境的温度测量值的方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一、测试不同温度下测温材料的发射光谱,建立三价铕Eu(Ⅲ)发射峰和四价锰Mn(Ⅳ)发射峰的积分发光强度比值随温度变化的标准工作曲线;
步骤二、将测温材料置于待测温度环境中,测量测温材料的发射光谱,进而获得三价铕Eu(Ⅲ)发射峰和四价锰Mn(Ⅳ)发射峰的积分发光强度比值;
步骤三、根据待测温度环境中的积分发光强度比值,通过标准工作曲线获得待测环境的温度测量值。
10.根据权利要求9所述的方法,其特征在于,所述积分发光强度比值与绝对温度满足下列指数方程:
FIR=IEu3+/IMn4+=A×exp(B/T)+C;
其中,FIR为积分发光强度比值,T为绝对温度,IEu3+和IMn4+分别为三价铕Eu(Ⅲ)和四价锰Mn(Ⅳ)发射峰的积分发光强度,A、B、C分别为常数。

说明书全文

一种元素铕和锰共同掺杂的温度探针材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及温度传感技术领域,尤其涉及一种元素铕和锰共同掺杂的温度传感材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 随着5G和物联网技术的快速发展和进步,各类传感器被大量应用,对温度的实时在线探测提出了更高的要求。在此背景下,以光学温度传感技术为代表的温度测量逐渐成为研究的热点。
[0003] 一定温度下,荧光材料的某些光学特性会随着温度的变化而发生改变,这样就可以利用荧光材料光学性质的改变来测量温度。目前常规的荧光测温方式是利用荧光强度比的方法选取单一稀土发光离子作为激活剂掺杂到主体基质中,然后选取该发光离子位置比较接近的两个能级作为热耦合对而实现测温。而为了实现单一稀土发光离子热耦合测温这个条件,热耦合的能级必须处于一个较小的范围内,若能级过大就会发生失耦现象。能级过小的话直接导致测温灵敏度过低。因此,单一稀土发光离子热耦合测温方式无法实现测温灵敏度和信号区分度的同时优化和提升。
[0004] 为此,研发一种新的基于发光材料的高灵敏度温度测量材料就具有非常重要的实际意义。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种基于元素铕和锰共同掺杂的光学测温材料及其制备方法,该测温材料克服传统单一稀土发光离子热耦合测温材料的缺陷,通过铕和锰元素的共同掺杂形成的双发光特性使得测温材料具有高灵敏度,且制备方法简单安全,利用双发光中心的荧光强度比精确测量温度,具有测温范围宽,信号监测甄别度大的特点。
[0006] 具体的,本发明的技术方案如下:
[0007] 本发明第一个方面公开了一种基于元素铕和锰共同掺杂的测温材料,具有以下通式(1)表示的原子比组成:
[0008] (Na1-xLix)(La1-y-z-mGdyYz)MgW1-nO6:Eum3+,Mnn4+    (1)
[0009] 其中,x、y和z满足如下条件:0≤x≤0.5,0≤y≤0.3,0≤z≤0.3;m和n满足如下条件:0
[0010] 应该理解,本发明的测温材料的具体原子比组成并不限于上述组成,任何合适的组成都在本专利申请的保护范围之内。
[0011] 优选的,所述测温材料可以作为温度探针的材料。
[0012] 进一步的,所述测温材料具有以下通式(2)表示的原子比组成:
[0013] (Na0.9Li0.1)(La0.75Gd0.1Y0.1)MgW0.997O6:Eu0.053+,Mn0.0034+    (2)[0014] 其中,x=0.1,y=0.1,z=0.1,m=0.05,n=0.003。
[0015] 进一步的,所述测温材料具有以下通式(3)表示的原子比组成:
[0016] (Na0.5Li0.5)(La0.35Gd0.3Y0.3)MgW0.99O6:Eu0.053+,Mn0.014+    (3)[0017] 其中,x=0.5,y=0.3,z=0.3,m=0.05,n=0.01。
[0018] 进一步的,所述测温材料具有以下通式(4)表示的原子比组成:
[0019] (Na1.0Li0.0)(La0.95Gd0.0Y0.0)MgW0.995O6:Eu0.053+,Mn0.0054+    (4)[0020] 其中,x=0.0,y=0.0,z=0.0,m=0.05,n=0.005。
[0021] 进一步的,所述测温材料的形态为粉体、薄膜或陶瓷。
[0022] 应该理解,本发明的测温材料的形态并不限于上述形态,任何合适的形态都在本专利申请的保护范围之内。
[0023] 本发明第二个方面公开了一种制备上述的基于元素铕和锰共掺杂的测温材料的方法,包括以下步骤:
[0024] 按所述的原子比分别称取含元素Na、Li、La、Gd、Y、Eu、Mg、W和Mn的化合物,将所述化合物研磨煅烧,冷却至室温经研磨后得到测温材料;或,
[0025] 按所述的原子比分别称取含元素Na、Li、La、Gd、Y、Eu、Mg、W和Mn的化合物,将所述化合物溶于后得到混合溶液,往混合溶液中加入有机酸,经过干燥后形成凝胶,烧结所述凝胶得到测温材料。
[0026] 进一步的,所述化合物为包括上述各元素相对应的酸盐、硝酸盐、化物或氢氧化物。更进一步的,所述化合物为含元素Na、Li、La、Gd、Y、Eu、Mg、W和Mn的硝酸盐。
[0027] 进一步的,所述有机酸为柠檬酸
[0028] 进一步的,分两个阶段进行烧结,第一个阶段:在400-600℃的条件下烧结1-3h;第二个阶段:在1000-1200℃的条件下烧结2-10h。
[0029] 本发明第三个方面公开了上述的测温材料得到待测环境的温度测量值的方法,包括以下步骤:
[0030] 步骤一、测试不同温度下测温材料的发射光谱,建立三价铕Eu(Ⅲ)发射峰和四价锰Mn(Ⅳ)发射峰的积分发光强度比值随温度变化的标准工作曲线;
[0031] 步骤二、将测温材料置于待测温度环境中,测量测温材料的发射光谱,进而获得三价铕Eu(Ⅲ)发射峰和四价锰Mn(Ⅳ)发射峰的积分发光强度比值;
[0032] 步骤三、根据待测温度环境中的积分发光强度比值,通过标准工作曲线获得待测环境的温度测量值。
[0033] 进一步的,所述积分发光强度比值与绝对温度满足下列指数方程:
[0034] FIR=IEu3+/IMn4+=A×exp(B/T)+C;
[0035] 其中,FIR为积分发光强度比值,T为绝对温度,IEu3+和IMn4+分别为三价铕Eu(Ⅲ)和四价锰Mn(Ⅳ)发射峰的积分发光强度,A、B、C分别为常数。
[0036] 在符合本领域常识的基础上,上述各优选条件,可任意组合,而不超出本发明的构思与保护范围。
[0037] 本发明相对于现有技术具有如下的显著优点及效果:
[0038] 本制备方法在常压和空气气氛下制备测温材料,无需还原气氛合成,制备条件简单安全。在紫外光有效激发下,三价铕Eu(Ⅲ)和四价锰Mn(Ⅳ)作为双发光中心同时发出各自的特征光谱,它们的积分发光强度比值随温度呈现有规律的变化,并且可以使用标准工作曲线来拟合,通过检测三价铕Eu(Ⅲ)和四价锰Mn(Ⅳ)这两个波长相距较远的特征发射峰,从而获得较高的信号甄别度,避免了检测信号的相互干扰。本发明可利用双发光中心的发光强度比精确标定温度,制备得到的测温材料测温范围宽,信号检测甄别度大。附图说明
[0039] 图1为本发明实施例1、2、7中公开的测温材料的X-射线粉末衍射图;
[0040] 图2为本发明实施例1中测温材料在紫外光源激发下测得的发射光谱图;
[0041] 图3为本发明实施例1中测温材料的发光强度比随温度变化及其相应拟合曲线图。

具体实施方式

[0042] 下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细描述,但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
[0043] 下列实施例中未注明具体条件的实验方法,按照常规方法和条件,或按照商品说明书选择。本发明所用试剂和原料均市售可得。
[0044] 实施例1
[0045] 本实施例公开了一种测温材料的制备方法,该测温材料具体原子比组成为:(Na0.9Li0.1)(La0.75Gd0.1Y0.1)MgW0.997O6:Eu0.053+,Mn0.0034+。
[0046] 其制备方法为:
[0047] (1)按照具体的原子比分别精确称取含元素Na、Li、Mg、W、Mn的碳酸盐,含元素La、Gd、Y、Eu的氧化物;
[0048] (2)将上述化合物原料经过充分研磨混合后在1000℃-1200℃范围内煅烧2-10h,冷却到室温后经过研磨后得到测温材料。
[0049] 图1中包括了实施例1公开的测温材料的X射线粉末衍射图,和标准卡片对比后显示合成了纯相。
[0050] 图2为实施例1公开的测温材料在紫外光源激发下测得的发射光谱图,从图中可以清楚的看到在紫外光有效激发下,三价铕Eu(Ⅲ)和四价锰Mn(Ⅳ)作为双发光中心能够同时分别发出各自的特征发射峰。
[0051] 图3为实施例1公开的测温材料的发光强度比值与温度之间的关系图及相应拟合曲线图。双发光中心的发光强度比值FIR与绝对温度T满足以下指数方程,
[0052] FIR=IEu3+/IMn4+=A*exp(B/T)+C,
[0053] 其中,IEu3+和IMn4+分别代表三价铕Eu(Ⅲ)和四价锰Mn(Ⅳ)特征发射峰的积分发光强度,A、B、C为常数,T为绝对温度。
[0054] 通过检测不同温度下测温材料的发射光谱,获得双发光中心的荧光强度比FIR与绝对温度T的实验数据点,通过指数方程拟合得到本实施例中测温材料的标准工作曲线方程为:
[0055] FIR=IEu3+/IMn4+=66.04×exp(-2702/T)+0.055。
[0056] 实施例2
[0057] 实施例2公开了一种基于元素铕和锰共掺杂的测温材料的制备方法,与实施例1制备方法唯一不同的是,步骤(1)中的含元素Na、Li、Mg、W、Mn的碳酸盐,含元素La、Gd、Y、Eu的氧化物的称取量不同,最终制备得到的测温材料的具体原子比组成为:(Na0.5Li0.5)(La0.35Gd0.3Y0.3)MgW0.99O6:Eu0.053+,Mn0.014。
[0058] 实施例3
[0059] 实施例3公开了一种基于元素铕和锰共掺杂的测温材料的制备方法,与实施例1制备方法唯一不同的是,步骤(1)中的含元素Na、Li、Mg、W、Mn的碳酸盐,含元素La、Gd、Y、Eu的氧化物的称取量不同,最终制备得到的测温材料的具体原子比组成为:(Na0.9Li0.1)(La0.75Gd0.1Y0.1)MgW0.995O6:Eu0.053+,Mn0.0054+。
[0060] 实施例4
[0061] 实施例4公开了一种基于元素铕和锰共掺杂的测温材料的制备方法,与实施例1制备方法唯一不同的是,步骤(1)中的含元素Na、Li、Mg、W、Mn的碳酸盐,含元素La、Gd、Y、Eu的氧化物的称取量不同,最终制备得到的测温材料的具体原子比组成为:(Na0.9Li0.1)3+ 4+
(La0.79Gd0.1Y0.1)MgW0.995O6:Eu0.01 ,Mn0.005 。
[0062] 实施例5
[0063] 实施例5公开了一种基于元素铕和锰共掺杂的测温材料的制备方法,与实施例1制备方法唯一不同的是,步骤(1)中的含元素Na、Li、Mg、W、Mn的碳酸盐,含元素La、Gd、Y、Eu的氧化物的称取量不同,最终制备得到的测温材料的具体原子比组成为:Na0.9Li0.1)(La0.79Gd0.1Y0.1)MgW0.99O6:Eu0.013+,Mn0.014+。
[0064] 实施例6
[0065] 实施例6公开了一种基于元素铕和锰共掺杂的测温材料的制备方法,与实施例1制备方法唯一不同的是,步骤(1)中的含元素Na、Li、Mg、W、Mn的碳酸盐,含元素La、Gd、Y、Eu的氧化物的称取量不同,最终制备得到的测温材料的具体原子比组成为:(Na0.9Li0.1)(La0.79Gd0.1Y0.1)MgW0.98O6:Eu0.013+,Mn0.024+。
[0066] 实施例7
[0067] 本实施例公开了一种基于元素铕和锰共掺杂的测温材料的制备方法,包括以下步骤:
[0068] 1)按所述的原子比分别称取含元素Na、Li、La、Gd、Y、Eu、Mg、W和Mn的化合物;
[0069] 2)将上述的硝酸盐溶于去离子水中得到混合溶液;
[0070] 3)在不断搅拌下将柠檬酸加入到混合溶液中;
[0071] 4)经过90℃干燥后形成凝胶;
[0072] 5)接着依次经过500℃烧结1-3h和1000℃-1200℃范围内烧结2-10h后得到测温材料。
[0073] 在本发明的一些优选实施例中,制备方法是通过溶胶凝胶法或高温固相法将元素铕和锰共掺杂后制备得到测温材料。所述的溶胶凝胶法、高温固相法均是本领域常规方法。
[0074] 在本发明的一些优选实施例中,制备得到的测温材料形态为粉体、薄膜或陶瓷。
[0075] 在本发明的一些优选实施例中,在303~523K温度范围下检测测温材料的发射光谱,
[0076] 在本发明的一些优选实施例中,含元素钠的化合物为钠的氧化物、氢氧化物、硝酸盐或碳酸盐中的一种或多种的混合物,混合物中各物料的配比可以任意选择。
[0077] 在本发明的一些优选实施例中,含元素锂的化合物为锂的氧化物、氢氧化物、硝酸盐或碳酸盐中的一种或多种的混合物,混合物中各物料的配比可以任意选择。
[0078] 在本发明的一些优选实施例中,含元素镧的化合物为镧的氧化物、氢氧化物、硝酸盐或碳酸盐中的一种或多种的混合物,混合物中各物料的配比可以任意选择。
[0079] 在本发明的一些优选实施例中,含元素钆的化合物为钆的氧化物、氢氧化物、硝酸盐或碳酸盐中的一种或多种的混合物,混合物中各物料的配比可以任意选择。
[0080] 在本发明的一些优选实施例中,含元素钇的化合物为钇的氧化物、氢氧化物、硝酸盐或碳酸盐中的一种或多种的混合物,混合物中各物料的配比可以任意选择。
[0081] 在本发明的一些优选实施例中,含元素铕的化合物为铕的氧化物、氢氧化物、硝酸盐或碳酸盐中的一种或多种的混合物,混合物中各物料的配比可以任意选择。
[0082] 在本发明的一些优选实施例中,含元素镁的化合物为镁的氧化物、氢氧化物、硝酸盐或碳酸盐中的一种或多种的混合物,混合物中各物料的配比可以任意选择。
[0083] 在本发明的一些优选实施例中,含元素钨的化合物为钨的氧化物、氢氧化物、硝酸盐或碳酸盐中的一种或多种的混合物,混合物中各物料的配比可以任意选择。
[0084] 在本发明的一些优选实施例中,含元素锰的化合物为锰的氧化物、氢氧化物、硝酸盐或碳酸盐中的一种或多种的混合物,混合物中各物料的配比可以任意选择。
[0085] 由上述实施例可以看出,本发明公开了一种高灵敏度的稀土铕和过渡金属锰共同掺杂的双发光体系的测温材料,在紫外光有效激发下,三价铕Eu(Ⅲ)和四价锰Mn(Ⅳ)作为双发光中心能够同时发出各自的特征光谱,它们的荧光强度比值随温度表现出有规律的变化,并且可以使用标准工作曲线来拟合,通过检测这两个波长相距较远的特征发射峰,从而获得较高的信号甄别度,避免了检测信号的相互干扰,信号检测甄别度大,可利用双发光中心的发光强度比精确标定温度,测温范围宽。
[0086] 上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
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