稀土材料功能概述

1、稀土發(fā)光材料、稀土熒光粉、用途功能技術(shù)介紹自古以來(lái)，人類就喜歡光明而害怕黑暗，夢(mèng)想能隨意地控制光，現(xiàn)在我們已 開(kāi)發(fā)出很多實(shí)用的發(fā)光材料。在這些發(fā)光材料中，稀土元素起的作用很大，稀土 的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其它元素。一、稀土發(fā)光材料物質(zhì)發(fā)光現(xiàn)象大致分為兩類：一類是物質(zhì)受熱，產(chǎn)生熱輻射而發(fā)光，另一類 是物體受激發(fā)吸收能量而躍遷至激發(fā)態(tài)（非穩(wěn)定態(tài)）在反回到基態(tài)的過(guò)程中，以 光的形式放出能量。以稀土化合物為基質(zhì)和以稀土元素為激活劑的發(fā)光材料多屬 于后一類，即稀土熒光粉。稀土元素原子具有豐富的電子能級(jí)，因?yàn)橄⊥猎卦?子的電子構(gòu)型中存在4f軌道，為多種能級(jí)躍遷創(chuàng)造了條件，從而獲得多種發(fā)光 性能。稀土是一個(gè)巨大的

2、發(fā)光材料寶庫(kù)，在人類開(kāi)發(fā)的各種發(fā)光材料中，稀土元 素發(fā)揮著非常重要的作用。自1973年世界發(fā)生能源危機(jī)以來(lái)，各國(guó)紛紛致力于研制節(jié)能發(fā)光材料，于 是利用稀土三基色熒光材料制作熒光燈的研究應(yīng)運(yùn)而生。1979年荷蘭菲利浦公 司首先研制成功，隨后投放市場(chǎng)，從此，各種品種規(guī)格的稀土三基色熒光燈先后 問(wèn)世。隨著人類生活水平的不斷提高，彩電已開(kāi)始向大屏幕和高清晰度方向發(fā)展。 稀土熒光粉在這些方面顯示自己十分優(yōu)越的性能，從而為人類實(shí)現(xiàn)彩電的大屏幕 化和高清晰度提供了理想的發(fā)光材料。稀土熒光材料與相應(yīng)的非稀土熒光材料相比，其發(fā)光效率及光色等性能都更 勝一籌。因此近幾年稀土熒光材料的用途越來(lái)越廣泛，年用量增長(zhǎng)較快

3、。根據(jù)激發(fā)源的不同，稀土發(fā)光材料可分為光致發(fā)光（以紫外光或可見(jiàn)光激 發(fā)）、陰極射線發(fā)光（以電子束激發(fā)）、X射線發(fā)光（以X射線激發(fā)）以及電致 發(fā)光（以電場(chǎng)激發(fā)）材料等。二、光致發(fā)光材料一燈用熒光粉燈用發(fā)光材料自70年代末實(shí)用化以來(lái)，促使稀土節(jié)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(wú)污染、無(wú)頻閃、實(shí)用化、智 能化、藝術(shù)化方向發(fā)展。主要用于各類不同用途的光源，如照明、復(fù)印機(jī)光源、 光化學(xué)光源等。其中三基色熒光粉（由紅、綠、藍(lán)三種稀土的熒光粉按一定比例 混合而成）制成的節(jié)能燈，由于光效高于白熾燈二倍以上，光色也好，受到世界 各國(guó)的重視。稀土發(fā)光材料的質(zhì)量提高和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展

4、，推動(dòng)了新一代節(jié)能光 源的科研、生產(chǎn)、應(yīng)用，并帶動(dòng)了許多相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，配套能力不斷增強(qiáng)。典型的熱陰極熒光燈是在玻璃管內(nèi)壁涂有熒光粉，在紫外線激發(fā)下發(fā)出可見(jiàn) 光。當(dāng)燈通電時(shí)，封裝在燈兩端的鎢絲電極之間放電。主要是通過(guò)熒光粉將短波 輻射轉(zhuǎn)變成可見(jiàn)光而發(fā)光。稀土三基色熒光燈，它含有釔、銪和鋱稀土熒光粉， 能發(fā)出更亮的光，比標(biāo)準(zhǔn)熒光燈更接近太陽(yáng)光譜。同時(shí)這種光可以節(jié)省50%的能 耗，三基色熒光粉是將三種發(fā)射窄帶紅（611nm）、綠（545nm）和蘭（450nm） 色光譜的三種熒光粉混合而成。燈管先涂一薄層鹵磷酸鹽熒光粉，然后再涂一薄 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6

5、0%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(lán)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(shí)用Bi3+共摻雜藍(lán)粉：銪（Eu2+）激活的硅酸鹽基質(zhì)銪（Eu2+）激活的鋁酸鹽基質(zhì)銪（Eu2+）激活的氯磷酸鹽基質(zhì)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+）激活的鎂鋇鋁酸鹽稀土節(jié)能燈稀土熒光粉主要應(yīng)用于辦公室、百貨商店和工廠中的高性能熒光燈。80年 代中期以來(lái)，隨著含鋱較少的較便宜的熒光粉開(kāi)發(fā)成功，這種節(jié)能燈的應(yīng)用迅速 增長(zhǎng)

6、。90年代中期，國(guó)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14W35W，28W熒光 燈光效可達(dá)104m/W，壽命大于16000h。我國(guó)新開(kāi)發(fā)的大功率強(qiáng)光型55W120W 適用于室外照明的稀土緊湊型節(jié)能熒光燈管，光效801m/W以上。新一代高頻環(huán)保節(jié)能燈管T5熒光燈管，是理想的節(jié)能照明光源。燈管的特 點(diǎn)是涂敷稀土三基色熒光粉為發(fā)光體，采用固態(tài)汞減少二次污染及高頻電點(diǎn)燈的 新技術(shù)，光效高、光色好、無(wú)頻閃、提高了光的質(zhì)量、縮短了工序、降低了能耗、 減少了汞污染、凈化了生產(chǎn)環(huán)境、提高了生產(chǎn)效率，是今后幾年大力推廣的產(chǎn)品

7、， 市場(chǎng)前景優(yōu)于當(dāng)前的緊湊型節(jié)能熒光燈。近年國(guó)際上又推出加強(qiáng)型T5高頻節(jié)能熒光燈管，提高了單位面積的光通量， 充分發(fā)揮了細(xì)管徑高光通的作用。節(jié)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(jié)能燈是節(jié)約 能源、保護(hù)環(huán)境的有效措施之一。稀土熒光粉用其它類型燈汞燈稀土熒光粉用于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(qiáng)度高于熒光燈。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(yīng)用是街道和工廠照明，這種場(chǎng)合需要強(qiáng)的白光。但是，近 年來(lái)鈉放電燈和金屬鹵化物HQT燈已代替了高壓汞燈，它的市場(chǎng)已衰落。鈉放電 燈和金屬鹵化物HQT燈比汞燈的顏色再現(xiàn)性好，發(fā)天然

8、白光。美國(guó)通用電報(bào)電話 公司麻省實(shí)驗(yàn)室的研究人員已經(jīng)研究出一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(wěn)定性好、效率高。碳弧燈稀土氟化物加入到棒芯中，使弧光強(qiáng)度提高到10倍，同時(shí)弧光顏色由淺黃 色變?yōu)榻咏展馍?。這種碳弧燈用作探照燈以及彩色電影攝像和放映。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(jié)助劑來(lái)改善材料的光學(xué)性質(zhì)，為了增強(qiáng)氧化鋁的半透明度，氧化釔的粒 徑應(yīng)在25微米左右。若粒徑太大則會(huì)降低強(qiáng)度。目前高壓鈉燈中存在的問(wèn)題是 稀土雜質(zhì)偏析導(dǎo)致鈉浸蝕氧化鋁管。三、

9、陰極射線發(fā)光材料一顯示用熒光粉主要用于電視機(jī)、示波器、雷達(dá)和計(jì)算機(jī)等各類熒光屏和顯示器。稀土紅色 熒光粉(Y2O3 ： Eu和Y2O2S : Eu)用于彩色電視機(jī)熒光屏，使彩電的亮度達(dá)到了 更高水平。藍(lán)色和綠色熒光粉仍使用非稀土的熒光粉，但La2O2S：Tb綠色熒光 粉發(fā)光特性較好，有開(kāi)發(fā)前景。最近彩色電視機(jī)統(tǒng)一使用EBU (歐州廣播聯(lián)盟) 色，紅粉為Y2O2S : Eu。計(jì)算機(jī)不象電視機(jī)那樣重視顏色的再現(xiàn)性，而優(yōu)先考慮 亮度，因而采用橙色更強(qiáng)的紅色，Y2O2S中Eu的含量通常為57wt%。而彩色電 視機(jī)紅粉中Eu的含量約為計(jì)算機(jī)的1.5倍。此外，稀土飛點(diǎn)掃描熒光粉Y2SiO5：Ce3+已廣泛

10、用于彩色飛點(diǎn)掃找管、電 子顯示管、掃描電鏡觀察鏡。作為陰極射線管的一種，可用于40英寸大屏幕電視機(jī)。投射式陰極射線管 要求畫面的高輝度，并在高負(fù)荷條件下使用。因此要求熒光屏具有高輝度、高電 流密度的勵(lì)磁條件，且在高溫下可明亮地發(fā)光，最能符合這些條件的是稀土熒光 粉，紅粉為Y2O3 : Eu，綠粉以Tb為激活劑。熒光粉的原料為Y、La、Eu、Tb的 氧化物和氯化物。高清晰度大屏幕彩色投景電視有很強(qiáng)的逼真感，不僅對(duì)提高生 活質(zhì)量具有積極意義，而且對(duì)軍事指揮系統(tǒng)亦有意義。投影管中的熒光粉要承受 更大的電流密度及陰極電壓，還要避免溫度淬滅效應(yīng)。目前只有稀土熒光粉能滿 足這種苛刻要求。四、電致發(fā)光材料為

11、實(shí)現(xiàn)彩色電致發(fā)光平板顯示，目前大力研究開(kāi)發(fā)摻雜稀土的電致發(fā)光的薄 膜材料，一種等離子顯示板（PlasmaDisplayPanEL,PDP）已經(jīng)開(kāi)發(fā)成功，制成了 壁掛式的彩色電視機(jī)。PDP發(fā)光原理是在兩塊基玻璃基板之間的惰性氣體在電壓 作用下發(fā)生氣體放電而產(chǎn)生紫外線，進(jìn)而激發(fā)三基色熒光粉而產(chǎn)生光。由于PDP 響應(yīng)速度快，視角大，亮度高而制成大屏幕。日本富士通開(kāi)發(fā)的PDP大屏幕（42 英寸大屏幕，厚15厘米）彩電已推向市場(chǎng)。等離子顯示屏中大都采用稀土熒光粉。因此，在等離子顯示屏取代了今天的 電視后，對(duì)稀土熒光粉的需求將大大增加，其用量將是同尺寸陰極射線管的1.5 倍。目前陰極射線管中只有紅粉采用稀

12、土熒光粉，而等離子顯示屏中三色均有使 用稀土的可能。待等離子顯示屏普及后，屏幕尺寸也將增大，這無(wú)疑會(huì)提高稀土 的總消費(fèi)量。今后的問(wèn)題在于等離子顯示屏的市場(chǎng)規(guī)模及批量生產(chǎn)。五、高技術(shù)用特種發(fā)光材料主要開(kāi)發(fā)光電子信息技術(shù)需要的發(fā)光材料，如衰減速度快、能量轉(zhuǎn)換效率高、 耐輻照的新型閃爍體，用于高能加速器和X射線層析儀，光通訊需要的紅外上轉(zhuǎn) 換材料等。六、熒光粉的其它應(yīng)用液晶后照式光源后照式光源部分使用電發(fā)光控制板，主要采用亮度及彩色優(yōu)異的熒光燈。但 這種熒光燈的管徑相當(dāng)于家用燈（普通直徑為30mm）的1/10左右，燈管長(zhǎng)度也 很短，因此熒光粉的用量很少。但對(duì)普通熒光燈來(lái)說(shuō)，重要的是亮度和彩色再現(xiàn) 性，用于后照式燈時(shí)，還要求高負(fù)荷條件下的使用壽命。所以