微纳米干粉体脉冲喷射燃烧法制备Y_2O_3_Eu_3_发光材料芯片

1、微纳米干粉体脉冲喷射燃烧法制备Y2O3E u3+发光材料芯片*王懿,侯丽雅,章维一(南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094摘要:采用基于微流体数字化技术的微纳米干粉体脉冲喷射燃烧法制备了Y2O3E u3+发光材料芯片,用紫外分析仪和荧光光谱仪对材料芯片进行了分析和表征。与组合液滴喷射法的间接作业不同,微纳米干粉体脉冲喷射燃烧法直接喷射原材料粉体进行材料芯片制备作业,无需配制溶液或悬浮液,简化了制备工艺流程、提高了材料芯片制备效率。关键词:组合材料学;发光材料;脉冲惯性力;粉体喷射;燃烧法中图分类号:O482.31文献标识码:A 文章编号:1001-9731(201011-2022-04

2、1引言组合材料学(C o m b i n a t o r i a lM a t e r i a l sS c i e n c e兴起于20世纪90年代中期1-3,是组合方法与材料科学相结合而形成的一门新兴交叉学科,其目标是通过采用并行合成、高通量表征的研究策略,短时间内用有限步骤快速合成大量不同的样品,形成材料样品库(材料芯片、并快速表征它们的性质,来实现新材料的高效筛选/优化。发光材料是日常生活中不可缺少的材料,为了发展和推广高效、节能照明器具,迫切需要寻找具有高效、稳定、色纯度高等特点的新型发光材料。一般情况,材料工作者依靠经验和直觉,通过"炒菜法"或"试错法

3、",采用一次一个组分的方法来寻找新型发光材料。这种研究模式由于周期长、成本高,难以满足社会高速发展的需求。组合方法的运用有效促进了发光材料的开发,S u n 等人采用溶液喷射技术制备了包含100个微型粉末样品的发光材料库4;W a n g等人采用四元物理掩膜与光刻相结合的技术制备了由1024个分立样品组成的薄膜样品库,并从中筛选出一种高效蓝色荧光复合材料G d3G a5O12/S i O25;M o r d k o v i c h等人采用二元及多元组分梯度技术制备样品库,发现并优化了4种低压阴极射线发光良好的Z n O基荧光粉6;C h e n等人拓展了组合液滴喷射合成技术的应用范围

4、,以悬浮液为前驱体喷射合成的荧光材料库7,但是悬浮液需要专用设备花费数小时制备8;近年来,G a o等人采用组合溶液喷射法对平板显示技术(P D P/L E D所需的荧光材料进行了研究9-11。这些材料芯片制备技术均是使用反应物的溶液点样和混合,挥发掉溶剂后再进行固相反应的间接作业,存在因反应物不同需寻找不同溶剂造成工作量大、甚至因溶解度过低溶液难配制等问题。本文为提高材料芯片制备效率,采用基于微流体数字化技术的微纳米干粉体脉冲喷射燃烧法,进行Y2O3E u3+发光材料芯片的制备实验研究,探索直接输送干粉体进行材料芯片合成的新方法。2原理2.1微流体数字化技术本课题研究起点是南京理工大学微系统

5、研究室发明的、拥有自主知识产权的微流体数字化技术12-14。微流体数字化技术的原创技术特征如下:方法上以脉冲为微流动基本形态;以脉冲当地惯性力为主动力;以脉冲波形、频率、幅值、相位、波数、波序列为驱动-控制-扰动参量;装置上既无微可动件又无嵌入式微电路;以外部宏驱动器影响微流道内部流动。性能上:适用流体广,包括各种液体和粉体;流动分辨率高达飞升级;脉冲量规整、序列可控的数字化流动;可靠性高、抗固粒堵塞、气泡阻断;工作条件利于保持生物活性;结构简、成本低13,14。2.2微纳米干粉体脉冲喷射燃烧法微纳米干粉体脉冲喷射燃烧法的材料芯片合成大致可分为两步:一是微量反应原料向微反应器的精确输送;二是微

6、反应器中化学反应的控制。难点主要在第一步,而第二步则与传统的常规材料合成基本相同。微纳米干粉体脉冲喷射燃烧法采用微流体数字化技术输送微量粉体,之后在反应器内进行燃烧反应生成材料样品库。其输送特点为:直接使用原材料粉体,无需制备溶液或悬浮液。3Y2O3E u3+发光材料芯片的制备3.1系统构成本文以电磁铁为作动器搭建了微纳米干粉体脉冲喷射系统,通过撞击产生脉冲惯性力喷射微纳米干粉体至陶瓷点滴板各孔内,由脉冲频率和幅值控制喷射流量,之后经阵列燃烧15得到所需样品库。2 2 0 22010年第11期(41卷*基金项目:国家自然科学基金资助项目(50975152;南京理工大学自主科研专项计划资助项目(

7、2010G J P Y006收到初稿日期:2010-04-02收到修改稿日期:2010-09-15通讯作者:侯丽雅作者简介:王懿(1986-,男,安徽芜湖人,在读硕士,师承侯丽雅教授,从事组合材料芯片技术及应用研究。以电磁铁为作动器搭建的微纳米干粉体脉冲喷射系统构成如图1所示,系统由包括电磁铁、驱动控制电路、支架、夹具、微喷嘴、陶瓷点滴板和步进电机驱动的二维运动工作台等组成 。图1微纳米干粉体脉冲喷射系统F i g 1S c h e m a t i c d i a g r a m o f t h e m i c r o -n a n o d r y p o w -d e r p u l s e

8、 je t s y s t e m 本系统选用深圳宗泰电子有限公司的直流框架直动推出式往复电磁铁(型号S D O -0630S 。直流框架直动拉入式往复电磁铁与一般电磁铁相比,增加了弹簧部件。弹簧可使铁芯通电吸合后,断电时自动复位运动。电磁铁通电,调节线圈两端电压,控制线圈中电流大小,从而影响电磁力大小。当电磁铁线圈两端外加周期性变化电压,则可控制铁芯周期性左右往复运动。铁芯在往复运动过程中,在其运动行程范围内撞击支架,产生脉冲惯性力喷射干粉体。电磁铁作动器驱动控制电路采用A T 89S 51型单片机最小系统实现。通过单片机发送矩形波信号控制电磁铁电路的通断;通过改变矩形波周期控制电磁铁动作频

9、率;通过改变矩形波幅值控制电磁铁撞击产生脉冲惯性力的大小。支架用于连接电磁铁和夹具,承受电磁铁撞击产生脉冲惯性力。夹具用于定位并夹紧微喷嘴,并将脉冲惯性力传递给微喷嘴。微喷嘴为干粉体脉冲喷射实验中的重要器件,选用连云港金成石英制品有限公司生产的标准透明石英玻璃管(规格:外径7.3m m ,内径5.1m m ,通过南京理工大学微系统研究室自制拉针仪拉制而成。图2所示为微喷嘴在显微镜下拍摄的内部结构图,其内径为250m 。图2微喷嘴端部显微结构F i g 2M i c r o s t r u c t u r e o f m i c r o -n o z z l e t i p 陶瓷点滴板置于二维运

10、动工作台上,用于接收喷射出的干粉体。步进电机驱动的二维运动工作台包括主控部分(计算机、电平转换电路、步进电机运动控制电路、步进电机及工作台。控制系统的布局和连线示意,如图3所示。用户通过计算机串口发出相应的控制指令,通过电平转换,将控制信号送到D S P 的串口,D S P 分析控制信号,做出相应的反应,使电动机按照控制指令运转或停止,达到控制的目的;同时整个驱动系统的运行参数,如频率等由采集系统获取后,经由D S P 串口发送回计算机串口,由通信程序显示,完成一整套运动控制功能 。图3电动机驱动控制系统设备布局和连线示意图F i g 3M o t o r d r i v e c o n t

11、r o l s y s t e m e q u i p m e n t l a y o u t a n d c o n n e c t i o n d i a g r a m 3.2干粉体脉冲喷射的参数标定为了通过喷射时间控制干粉体喷射量,需进行脉冲喷射参数标定实验,以测定Y 2O 3、E u 2O 3和NH 2C H 2C O O H 粉体的流量。标定实验针对不同干粉体,选用不同内径的微喷嘴,在不同驱动参数下进行脉冲喷射实验,通过计算一定时间内的干粉体喷射量变异系数,来选定一组稳定的喷射参数,并计算出喷射流量。干粉体喷射量变异系数C ·V 的计算公式为:C ·V =S x

12、 ×100%(1S 为干粉体喷射量的标准差,x 为干粉体喷射量的平均数。标定实验条件为:(1温度:20;相对湿度:36%;(2喷射时间:180s ;3202王懿等:微纳米干粉体脉冲喷射燃烧法制备Y 2O 3Eu 3+发光材料芯片(3Y 2O 3粉体粒径为1525m ;E u 2O 3粉体粒径为1525m ;NH 2C H 2C O O H 粉体粒径为80125m ;(4电磁铁驱动参数:电压为9和12V ,频率为1和2H z;(5微喷嘴规格3种:内径500、内径450和内径250m 。实验标定结果如表13所示。表1选用内径500m 的微喷嘴标定Y 2O 3粉体流量T a b l e 1

13、C a l i b r a t i o n o f Y 2O 3p o w d e r f l o w u s i n g m i c r o -n o z z l e w i t h a n i n n e r d i a m e t e r o f 500m 驱动参数第一组喷射量(m g第二组喷射量(m g第三组喷射量(m g平均喷射量(m g变异系数流量(g /s 9V ,1H z 1.51.61.61.63.0%8.99V ,2H z 1.92.12.22.16.0%11.712V ,1H z 3.73.83.53.73.4%20.612V ,2H z 4.74.44.94.74.4%

14、26.1表2选用内径250m 的微喷嘴标定E u 2O 3粉体流量T a b l e 2C a l i b r a t i o n o f E u 2O 3p o w d e r f l o w u s i n g m i c r o -n o z z l e w i t h a n i n n e r d i a m e t e r o f 250m 驱动参数第一组喷射量(m g第二组喷射量(m g第三组喷射量(m g平均喷射量(m g变异系数流量(g /s 9V ,1H z 0.91.01.01.04.9%5.69V ,2H z 1.51.41.61.55.4%8.312V ,1H z 1

15、.51.71.61.65.1%8.912V ,2H z 3.32.63.03.09.7%16.7表3选用内径450m 的微喷嘴标定NH 2C H 2C O O H 粉体流量T a b l e 3C a l i b r a t i o n o f NH 2C H 2C O O H p o w d e r f l o w u s i n g m i c r o -n o z z l e w i t h a n i n n e r d i a m e t e r o f 450m 驱动参数第一组喷射量(m g第二组喷射量(m g第三组喷射量(m g平均喷射量(m g变异系数流量(g /s 9V ,1

16、H z 8.17.78.07.92.1%43.99V ,2H z 11.011.410.410.93.8%60.612V ,1H z 13.412.512.312.73.8%70.612V ,2H z 15.614.114.714.84.2%82.2从表13中可以看出:选用内径500m 的微喷嘴喷射Y 2O 3粉体,驱动参数为9V ,1H z 时最稳定;选用内径250m 的微喷嘴喷射E u 2O 3粉体,驱动参数为9V ,1H z 时最稳定;选用内径450m 的微喷嘴喷射NH 2C H 2C O O H 粉体,驱动参数为9V ,1H z 时最稳定。因此,选用以上参数制备样品库。3.3样品库的制

17、备3.3.1原料所用原料包括HN O 3(分析纯、Y 2O 3(99.99%、E u 2O 3(99.99%、NH 2C H 2C O O H (分析纯、蒸馏水。3.3.2制备过程及现象(1配制2m o l /L 的HN O 3溶液,并在陶瓷点滴板各孔中滴入HN O 3溶液1m L 。(2将Y 2O 3、E u 2O 3和NH 2C H 2C O O H 粉体按一定比例(见表4喷射到陶瓷点滴板各孔中,得到不同配比的反应物阵列。(3将陶瓷点滴板置于90的箱式电阻炉中保温10m i n ,Y 2O 3、E u 2O 3和NH 2C H 2C O O H 粉末全部溶解。(4将陶瓷点滴板置于500的箱

18、式电阻炉中保温5m i n 得到最终产物:白色泡状粉末。表4原料粉体在陶瓷点滴板各孔中喷射时间(单位:s T a b l e 4J e t t i m e o f r a w m a t e r i a l s po w d e r i n t h e h o l e o f c e r a m i c d r i p p l a t e 孔号粉体123456Y 2O 3300300300300300300E u 2O 36153774149297N H 2C H 2C O O H 1212131315174Y 2O 3Eu 3+发光材料芯片的表征4.1照相术照相术是指对发光材料样品库在不同波

19、长光源激发下的发光状态进行拍照,以获得相应的物理信息。照相术具有并行、快速和直观等特点,能够满足材料初筛的要求,率先成为组合材料高通量表征技术之一。本文选用上海予英仪器有限公司的Z F -20D 暗箱式紫外分析仪对样品库进行表征。图4为使用照相术拍摄的Y 2O 3E u 3+发光材料库(n (E u 2O 3n (Y 2O 3=x m o l %,x =0.8、2.0、5.0、10.0、20.1、40.0在254n m紫外光激发下的发光照片,从图4中可以看出陶瓷点滴板4号孔中的材料发光亮度最大,即最大发光亮度所对应的E u 2O 3和Y 2O 3比例为10.0%(摩尔分数。42022010年第

20、11期(41卷 图4组合材料库的成分分布及其在254n m 紫外光激发下的发光照片F i g 4C o m p o s i t i o n d i s t r i b u t i o n o f c o m b i n a t i o n m a t e r i a l s l i b r a r y a n d l u m i n e s c e n t p h o t o g r a p h o f Y 2O 3l i b r a r y u n -d e r 254n m U V e x c i t a t i o n 4.2发射光谱分析通过荧光光谱仪对Y 2O 3Eu 3+发光材料库进

21、行荧光发射光谱检测。荧光光谱仪选用法国H o r i b a J o -b i n Y v o n 生产的F L 3-TC S P C ,主要技术指标:发射单色仪重复性:0.3n m ,1200g/m m ;激发单色仪重复性:0.3n m ,1200g /m m ;信噪比:50001。图5给出材料库中红色发光样品(n (E u 2O 3n (Y 2O 3=x m o l %随E u 2O 3含量变化的发射光谱,各样品的发射光谱形状基本一致,发射光的主峰波长在611n m 附近,对应E u 3+离子的5D 07F 2电偶极跃迁,说明E u 3+的配位环境相同。当E u 2O 3含量从0.8m o

22、 l %增高至10.0m o l %时,发光增强;随E u 2O 3含量进一步增高,发光强度逐渐减弱;该材料芯片中具有最大发光强度的样品所对应的E u 2O 3含量为10.0%(摩尔分数 。图5材料库中样品在273n m 激发下的发射光谱F i g 5E m i s s i o n s p e c t r a o f m a t e r i a l s l i b r a r y s a m p l e s u n d e r 273n m U V e x c i t a t i o n 5结论(1采用自行研制的微纳米干粉体脉冲喷射系统,通过直接喷射干粉体成功合成出了Y 2O 3E u 3+发

23、光材料库,验证了微纳米干粉体脉冲喷射燃烧法制备材料芯片的可行性。(2与组合液滴喷射法的间接作业不同,微纳米干粉体脉冲喷射燃烧法可直接喷射原材料粉体进行材料芯片制备作业,无需配制溶液或悬浮液,简化了制备工艺流程,提高了材料芯片制备效率。参考文献:1X i a n g X D ,S u n X D ,B r i c e n o G ,e t a l .J .S c i e n c e ,1995,268(5218:1738-1740.2E a r l D a n i e l s o n ,J o s h H ,G o l d e n ,e t a l .J .N a t u r e ,1997,3

24、89(6654:944-948.3J a n d e l e i t B ,S c h a e f e r D J ,P o w e r s T S ,e t a l .J .A n ge w C h e m I n t E d ,1999,38(17:2494-2532.4S u n X D ,W a n g K A ,Y o o Y K ,e t a l .J .A d v M a t e r ,1997,9(13:1046-1049.5W a n g J ,Y o o Y K ,G a o C ,e t a l .J .S c i e n c e ,1998,279(5357:1712-

25、1714.6M o r d k o v i c h V Z ,H a ya s h i H ,H a e m o r i M ,e t a l .J .A d v F u n c t M a t e r ,2003,13(7:519-524.7L e i C h e n ,J u n B a o ,C h e n G a o .J .J C o mbC h e m ,2004,6(5:699-702.8陈雷,刘忠海,沈磊,等.J .物理化学学报,2004,20(7:722-726.9G a o C ,C h e n L ,B a o J ,e t a l .J .J E l e c t r o

26、 c h e m S o c ,2007,154(11:J 345-J 347.10C h e n L ,F u Y B ,Z h a n g G B ,e t a l .J .J C o m b C h e m ,2008,10(3:401-404.11C h a n T S ,K a n g C C ,L i u R S ,e t a l .J .J C o m b C h e m ,2007,9(3:343-346.12科学技术部基础研究司科技部高技术研究发展中心.J .基础科学研究快报,2004,4(总第150期:6-7.13章维一,侯丽雅.影响流体流动的方法及其装置和应用P .中国:

27、Z L 03152948.8,2006.14章维一,侯丽雅.J .科技导报,2005,23(8:4-9.15L u o Z h e n -L i n ,G e n g B i n ,B a o J u n ,e t a l .J .JC o m b C h e m ,2005,7(6:942-946.(下转第2033页5202王懿等:微纳米干粉体脉冲喷射燃烧法制备Y 2O 3Eu 3+发光材料芯片16(6:964-969.9J o e l j D.J .W e l d i n g J o u r n a l ,2001,80(5:30-34.10M i s h r a R S ,M a Z Y

28、.J .M a t e r i a l s S c i e n c e a n d E n gi -n e e r i n g,2005,50(1-2:1-78.E x p e r i m e n t a l s t u d y o n f r i c t i o n s t i r w e l d e d o n t h i c k pl a t e o f 7022a l u m i n i u m a l l o y WA N G H o n g -f e n g 1,Z U O D u n -w e n 1,WA N G M i n 1,L I G u a n g 2,D O N G

29、C h u n -l i n 2(1.C o l l e g e o f M e c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ,N a n j i n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s ,N a n j i n g 210016,C h i n a ;2.C h i n a F S W C e n t e r ,B e i j i n g A e r o n a u t i c a l M

30、a n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y R e s e a r c h I n s t i t u t e ,B e i j i n g 100024,C h i n a A b s t r a c t :E x p e r i m e n t a l s t u d y i s c a r r i e d o u t o n t h e f r i c t i o n s t i r w e l d i n g o f 10m m t h i c k 7022a l u m i n i u m a l l o y .T h e w e l d

31、e d j o i n t w i t h s m o o t h s u r f a c e h a d b e e n o b t a i n e d .N o w e l d i n g c r a c k a n d p o r e h a v e b e e n d i s c o v e r e d b y X -r a y d e t e c t i o n .T h e m i c r o s t r u c t u r e o f f r i c t i o n w e l d e d j o i n t i s s t u d i e d i n d i f f e r e

32、 n t r e g i o n s .T h e m e c h a n i c a l p r o pe r t i e s of w e l d e d j o i n t s a r e a n a l y z e d t h r o ugh t e n si l e ,i m p a c t a n d h a r d n e s s t e s t s .T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e o r g a n i z a t i o n o f w e l d e dj o i n t i s s m a l l h o m o g

33、e n e o u s i s o m e t r i c c r y s t a l .T h e t e n s i l e s t r e n g t h a n d yi e l d s t r e n g t h o f f r i c t i o n s t i r w e l d e d j o i n t s o f 7022a l u m i n i u m a l l o y e x c e s s t h e s e o f t h e b a s e m a t e r i a l w h e n t h e r o t a t i n g s p e e d i s

34、400r /m i n a n d t h e w e l d i n g s p e e d i s 100m m /m i n .T h e i m p a c t t o u g h n e s s o f w e l d e d j o i n t i s h i g h e r t h a n t h e b a s e m a t e r i a l .T h e m i c r o h a r d n e s s o f w e l d e d j o i n t i s s l i g h t l y l o w e r t h a n t h e b a s e m a t

35、e r i a l .W e l d e d j o i n t h a s g o o d m e c h a n i c a l p r o p e r -t i e s .K e y w o r d s :f r i c t i o n s t i r w e l d i n g ;7022a l u m i n i u m a l l o y ;m e c h a n i c a l p r o p e r t y ;m i c r o s t r u c t u r e ;f r a c t u r e a n a l y 櫠櫠櫠櫠櫠櫠櫠櫠櫠櫠櫠櫠櫠櫠櫠櫠櫠櫠櫠櫠櫠櫠櫠櫠櫠櫠櫠櫠櫠櫠

36、櫠櫠櫠櫠櫠櫠櫠櫠櫠櫠櫠櫠櫠櫠櫠櫠櫠櫠櫠櫠櫠s i s (上接第2025页P r e p a r a t i o n o f Y 2O 3E u 3+l u m i n e s c e n c e m a t e r i a l s c h i p b y m i c r o -n a n o d r y p o w d e r p u l s e j e t c o m b u s t i o n m e t h o d WA N G Y i ,H O U L i -y a ,Z HA N G W e i -yi (S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n

37、 g i n e e r i n g ,N a n j i n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ,N a n j i n g 210094,C h i n a A b s t r a c t :Y 2O 3E u 3+l u m i n e s c e n c e m a t e r i a l s c h i p p r e p a r e d b y m i c r o -n a n o d r y p o w d e r p u l s e j e t c o m b u s t i o

38、n m e t h o d b a s e d o n t e c h n o l o g y o f d i g i t a l i z a t i o n o f m i c r o f l u i d s ,w a s t e s t e d b y U V a n a l y z e r a n d f l u o r e s c e n c e s p e c -t r o m e t e r .D i f f e r e n t f r o m t h e d r o p -o n -d e m a n d i n k j e t d e l i v e r y m e t h o

39、 d ,r a w m a t e r i a l s p o w d e r w a s j e t t e d d i r e c t l y t o p r e p a r e m a t e r i a l s c h i p u s i n g p o w d e r -j e t m e t h o d ,t h a t m i c r o -n a n o d r y p o w d e r p u l s e j e t m e t h o d .P r e p a r a t i o n o f s o -l u t i o n o r s u s p e n s i o n

40、 w a s u n n e c e s s a r y ,s o t h e m a t e r i a l s c h i p p r e p a r a t i o n e f f i c i e n c y w a s r a i s e d .K e y w o r d s :c o m b i n a t o r i a l m a t e r i a l s s c i e n c e ;l u m i n e s c e n c e m a t e r i a l s ;p u l s e i n e r t i a l f o r c e ;p o w d e r -j e

41、t ;c o m b u s t i o n 櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌m e t h o d(上接第2028页F i r s t p r i n c i p l e s s t u d y o n t h e p h a s e s t a b i l i t y o f C a N i 2a n d C a M g N i 4N I U J i a n -g a n g 1,D O N G X i a o -p i n g 1,G U A N L i 2,X I E F e i 1,WA N G B a o -ju n 1,G A O W e i 1(1.C