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《功能玻璃》专题——氟氧化物玻璃陶瓷不同配

  原标题:《功能玻璃》专题——氟氧化物玻璃陶瓷不同配位环境下Cr3+的荧光温度传感特性

  王长建,Abhishek Wadhwa,陈晓桐,徐秀瑕,任 锴,乔旭升,樊先平

  摘 要:通过对基质成分为 50SiO2–20Al2O3–30BaF2的玻璃进行热处理,◆●△▼●得到了含 BaF2:Cr3+纳米晶的透明氟氧化物微晶玻璃。玻璃陶瓷中存在两种发光中心,所对应的发光峰位中心位置分别位于红光区域 724 nm 处和近红外区域 988 nm 处。在低温环境下对 Cr3+的荧光寿命与温度的关系进行了探究,724 nm 处的荧光寿命的相对敏感系数温度在 317 K 达到最大值 0.58%/K, 988 nm 处的荧光寿命的相对敏感系数温度在 184 K 达到最大值 0.47%/K。

  温度是表示物体冷热程度的物理量,微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度,是大量分子热运动的集体表现,含有统计意义,且温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量[1]。随着科技的发展,对很多物理量的测量精度要求越来越高。温度也是如此,工业生产、科学研究、医学领域、 军事领域等对温度探测提出了越来越高的要求。目前已有许多种温度测量手段被广泛使用。例如,热膨胀温度计、热电阻温度计,及热电偶温度计、电容温度计、半导体温度计等[1]。然而,在许多苛刻复杂的环境中,□▼◁▼像变电站、发电厂、高功率输电线路等强电磁干扰环境的温度探测,这些基于物质的 电学性质的温度传感器会受到严重干扰,并不能完 全满足测温需求[2]。

  作为一种非接触式温度探测方法,光学温度传感器可实现抗电磁干扰,快速响应温度探测,在工业生产领域得到了广泛的应用,并且受到越来越多研究者的关注,其测温原理主要有红外热福射, Raman 测温,Bragg 光栅,荧光技术等[2–6]。荧光寿命测温技术是基于工作物质荧光寿命与温度具有规律性依赖关系而实现的[7]。荧光寿命测温技术具有自校准,不受激发光源强度波动影响等优点,成为研究的热点领域。△▪️▲□△基于这一技术的荧光光纤温度传感器已进入工程应用,并日益成熟。

  Cr3+离子因为具有荧光寿命与温度的耦合关系,•●因此在温度测量领域得到了广泛应用,但以 Cr3+离子为发光中心的荧光寿命温度传感器面临着提高精度和拓宽温度测量区间等问题。一方面, 目前一个研究思路是利用单一材料掺杂包括Cr3+在内的多种离子来提升材料的温度传感性能。Cr3+离子在固体材料中倾向于占据那些八面体格位点。因为在Cr3+中的 3d3电子受晶体场的作用而能级分裂,晶体场的对称结构不同,3d3电子的分裂程度也不同;另一方面其能级还具有极易受到晶体场强度影响的特点,因此,在不同的基质材料中,◇▲=○▼=△▲Cr3+离子的荧光发射行为有着显著差异[8]。人们对Cr3+离子掺不同材料进行了广泛的研究发现随着晶体场强度的下降,Cr3+对温度传感性能的相对敏感指数呈上升趋势[9]。又因为 Cr3+在强场环境下,最低激发能级为 2E 能级,▲●在弱场环境下,最低激发能级为 4T2能级。弱场环境下 Cr3+在较低温度具有较好的测量效果;强场环境下Cr3+在较高温度具有较好的测量效果。因此,如果能在玻璃陶瓷中为Cr3+提供强场和弱场两种环境,▪️•★将有助于拓宽 Cr3+的测温区间,提升测量精度。氟硅酸盐玻璃中通常存在两种八面体,氧八面体和氟八面体,★◇▽▼•前者为强场,后者为弱场[10]。这为在氟氧化物玻璃中通过 Cr3+单掺实现双模温度传感提供了思路[11]。

  本研究中通过对基质成分为 60SiO2–20Al2O3– (20–x)BaF2–xCrF3的玻璃进行热处理,得到了含 BaF2:Cr3+纳米晶的透明氟氧化物微晶玻璃。通过光谱实验确定了在玻璃陶瓷中存在两种发光中心,所对应的发光峰位分别位于红光区域和近红外区域。对这 2 种荧光分别进行了低温情况下的荧光寿命测量,得到了温度与荧光寿命的对应关系,并用相关公式进行了拟合。

  在含有均匀分布的 BaF2 纳米晶的氟氧化物玻璃陶瓷中,Cr3+占据着两种格位:一种是玻璃残余相中的 O2–八面体格位,另一种是分布在 BaF2纳米晶中的 F–八面体格位。中心位置处于 724 nm 处的荧光发射峰来自于 O2–八面体中的 Cr3+,而中心位置处于 988 nm 处的超宽荧光发射峰来自于 F–八面体中的 Cr3+。O2–八面体格位处的晶体场较强,所以 724 nm处的荧光主要来自于Cr3+的2个热耦合能级 2E 和 4T2的辐射跃迁。而 F–八面体格位处的晶体场较弱,最低激发能级 4T2 很容易通过非辐射跃迁热猝灭。

  通过最小二乘法拟合,根据相关参数得到 724 nm 处的荧光寿命的相对温度敏感系数在 317 K 达到最大值 0.58%/K,988 nm 处的荧光寿命的相对温度敏感系数在 184 K 达到最大值 0.47%/K。这些敏感系数可以与一些典型的温度传感材料的敏感系数相当。掺 Cr3+玻璃陶瓷材料 988 nm 处的荧光寿命在低温区域依旧具有良好的温度耦合特性,而 724 nm 处的荧光寿命在高温区域具有良好的温度耦合特性, 两者结合,不仅可拓宽了温度测量范围,还可提升重叠测温区间的温度测量精度。因此,该类玻璃陶瓷材料有望应用于高灵敏、双模、自校准荧光寿命温度传感器中。500万彩票app

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