材料合成及制备实验报告.doc

材料合成及制备实验报告

本科生实验报告

实验课程 材料设计及制备综合实验
学院名称 材料及化学化工学院
专业名称 材料科学及工程（无机非金属方向）
学生姓名
学生学号
指导教师
实验地点 测试楼
实验成绩

二〇一五年六月 五 二〇一五年七月
填写说明

1、 适用于本科生所有的实验报告（印制实验报告册除外）；
2、 专业填写为专业全称，有专业方向的用小括号标明；
3、 格式要求：
① 用A4纸双面打印（封面双面打印）或在A4大小纸上用蓝黑色水笔书写。
② 打印排版：正文用宋体小四号，1.5倍行距，页边距采取默认形式（上下2.54cm，左右2.54cm，页眉1.5cm，页脚1.75cm）。字符间距为默认值（缩放100%，间距：标准）；页码用小五号字底端居中。
③ 具体要求：
题目（二号黑体居中）；
摘要（“摘要”二字用小二号黑体居中，隔行书写摘要的文字部分，小4号宋体）；
关键词（隔行顶格书写“关键词”三字，提炼3-5个关键词，用分号隔开，小4号黑体)；
正文部分采用三级标题；
第1章 ××(小二号黑体居中，段前0.5行)
1.1 ×××××小三号黑体×××××（段前、段后0.5行）
1.1.1小四号黑体（段前、段后0.5行）
参考文献（黑体小二号居中，段前0.5行），参考文献用五号宋体，参照《参考文献著录规则（GB/T 7714－2005）》。

实验指导书
实验名称：燃烧法合成红色发光材料Li2CaSiO4:Eu3+
实验目的：
1、 掌握燃烧法的实验原理和材料的基本测试方法；
2、 掌握燃烧法合成Li2CaSiO4:Eu3+粉体的制备过程；
3、 研究Eu3+浓度变化对荧光粉发光性能的影响；
实验原理
燃烧法是指通过前驱物的燃烧合成材料的一种方法。当反应物达到放热反应的点火温度时，以某种方法点燃，随后的反应即由放出的热量维持，燃烧产物就是拟制备的目标产物。其基本原理是将反应原料制成相应的硝酸盐，加入作为燃料的尿素（还原剂），在一定的温度下加热一定时间，经剧烈的氧化还原反应，溢出大量的气体，进而燃烧得到产物。
nSi(O2C2H5)4+nH2O== nSi(OH) 4+4nC2H5OH
6LiNO3+3Ca(NO3)2+ 3Si(OH) 4+ 12CO(NH2)2 ==
3Li2CaSiO4+12CO2+4NH3+24H2O+16N2
用燃烧法合成发光材料具有相当的适用性，燃烧过程产生的气体还可充当还原保护气氛，并具备不需要复杂的外部加热设备，工艺过程简便，反应迅速，产品纯度高，发光亮度不易受损，节省能源等优点，是一种很有意义的高效节能合成方法。
实验药品及仪器
药品：三氧化二铕（Eu2O3），硝酸钙（Ca(NO3)2·4H2O），尿素，正硅酸乙酯（Si(OC2H5)4），硝酸锂（LiNO3），浓HNO3，去离子水。
仪器：电子天平，量筒，烧杯，移液管，磁力搅拌器，恒温干燥箱，刚玉坩埚，马弗炉，X射线粉晶衍射仪（XRD），荧光光谱仪（FL）。

实验配比
按Li2Ca1-xSiO4:xEu3+ (x=0.03，0.04，0.05，0.06)配比，以Eu3+浓度为变量设计实验，实验共计4组，各实验药品质量/体积如下表所示：
药品名称
实验编号
质量（g/ml）
硝酸锂
1、2、3、4
1.379（g）
正硅酸乙酯
1、2、3、4
2.33（ml）
尿素
1、2、3、4
2.4（g）
乙醇
1、2、3、4
4（ml）
硝酸
1、2、3、4
2（滴）/ 1（ml）
水
1、2、3、4
2（ml）/ 5（ml）
硝酸钙
1
2.2906（g）
2
2.2670（g）
3
2.2434（g）
4
2.2198（g）
氧化铕
1
0.0528（g）
2
0.0704（g）
3
0.0880（g）
4
0.1056（g）
实验步骤：
1. 用量筒量取一定量的正硅酸乙酯溶液缓慢滴加到适量的乙醇和水混合溶液中，并添加少量HNO3作为催化剂，置于磁力搅拌器上常温搅拌0.5小时，得到正硅酸乙酯的水解溶液A；
2. 按Li2Ca1-xSiO4:xEu3+ (x=0.05，0.07，0.9，0.11)化学计量比，精确称取各原料。
3. 将称取的Eu2O3溶解于浓HNO3（需要用电炉加热）得到溶液B，将事先称好的Ca(NO3)2·4H2O、LiNO3溶于适量水，配成溶液C；
4. 将B、C溶液加入到溶液A中，再加入称量好的尿素，在75℃继续加热搅拌0.5小时左右，得无色凝胶；
5. 将上述溶胶快速转移到刚玉坩埚中，置于马弗炉中，于700℃恒温焙烧1小时后取出得白色粉末样品；
6. 采用XRD、FL等测试方法对样品进行测试分析。
实验流程简图：

实验现象观察及记录
观察记录溶解、搅拌过程中的实验现象，对得到的样品性状特征进行描述。在暗室中，通过紫外灯照射合成样品，初步观察样品的发光亮度和发光颜色，对不同实验条件下合成样品的发光情况进行相互对比，来观察不同的实验条件对合成样品发光情况的影响。
测试及分析
将合成样品进行X射线衍射、荧光光谱等测试，进行合成物的物相组成、发光性能等分析，分析了解样品的发光性能及合成工艺参数之间的关系。
1.荧光光谱分析
选择组别为：硝酸钙2.2198（g），氧化铕，0.1056（g）
(1) Li2CaSiO4:Eu3+的激发光谱分析，如图1所示

由图可看出Li2CaSiO4:Eu3+材料的激发光谱(λ=620nm),其为196-496nm范围内的宽带谱，在约296-321nm附近激发效果最好，在此范围出现了平台,除336nm处的激发最薄弱外，其余都能有效激发。
(2)发射光谱分析，如图2所示

由图可看出Li2CaSiO4:Eu3+材料的发射光谱（λ=394nm），为501-751nm的宽带谱，其峰值位于大约621nm，在大约601nm存在相对较弱的发射肩，其峰值的出现可能是由于Eu3+的跃迁所致。
2.X-Ray衍射分析，如图3所示

从X-Ray衍射分析图谱可以看出，其具有两个强度相对较大的衍射峰，该粉体约在25.20°和37.90°衍射峰强而尖锐， Li2CaSiO4:Eu3+粉体的结晶程度较好。
注意事项：
1、 准确称量样品；
2、 严格按照实验流程操作；
3、 注意安全；

二、燃烧法合成钒酸盐发光粉体及性能测试
实验目的：
1、 掌握燃烧法的实验原理；
2、 掌握燃烧法合成钒酸盐粉体的制备过程和方法；
3、 掌握燃烧法合成稀土掺杂钒酸盐粉体的基本工艺参数；
4、 了解材料的测试表征方法。
实验原理
燃烧法是指通过前驱物的燃烧合成材料的一种方法。燃烧过程的本质是高放热性化学反应，反应体系经外部能量诱发局部化学反应(点燃)，形成前沿燃烧波，燃烧波伴随着剧烈的传热、传质等过程使化学反应持续蔓延，直至整个反应体系，最后达到合成所需材料目的。由于燃烧反应过程异常剧烈，反应物几乎瞬间点燃达到高温生成产物，加之热空气强烈对流使生成的细小产物颗粒“飞散开”并快速冷却，因此燃烧法的合成产物一般非常蓬松，无需进行研磨便可获得分散性良好、粒径均匀的粉体材料。该法作为新材料制备的高新技术，具有节能、高效、合成产物质量高、合成产品成本低、易于实现规模生产等特点。
其基本原理是将反应原料制成相应的硝酸盐，加入作为燃料的柠檬酸（还原剂），在一定的温度下加热一定时间，经剧烈的氧化还原反应，溢出大量的气体，进而燃烧得到泡沫状材料，该泡沫状物质不结团，易粉碎。
实验药品及仪器
药品：Ca(NO3)2·4H2O，LiNO3，Bi(NO3)3·5H2O，NH4VO3，NH4Cl，Eu2O3，柠檬酸，浓硝酸，蒸馏水。
仪器：药匙、烧杯、移液管、洗耳球、刚玉坩埚、电子天平、高温马弗炉、紫外灯、X射线衍射仪(XRD)、荧光光谱仪。

原料配比：
配比一：
硝酸钙
硝酸锂
硝酸铋
柠檬酸
氯化铵
氧化铕
偏钒酸铵
1.3461
0.4137
1.4116
2.5217
0.0016
0.0475
1.0528

配比二：
硝酸钙
硝酸锂
硝酸铋
柠檬酸
氯化铵
氧化铕
偏钒酸铵
1.2752
0.4137
1.4116
2.5217
0.0032
0.0475
1.0528

配比三：
硝酸钙
硝酸锂
硝酸铋
柠檬酸
氯化铵
氧化铕
偏钒酸铵
1.1335
0.4137
1.4116
2.5217
0.0048
0.0475
1.0528

配比四：
硝酸钙
硝酸锂
硝酸铋
柠檬酸
氯化铵
氧化铕
偏钒酸铵
0.9918
0.4137
1.4116
2.5217
0.0064
0.0475
1.0528

实验步骤：
7. 将称量好的Eu2O3放入烧杯中，用移液管量取1.5ml浓硝酸加入其中，加热除去多余的浓硝酸。按上述配比称取Ca(NO3)2·4H2O，LiNO3，Bi(NO3)3·5H2O， NH4Cl，柠檬酸放入上述烧杯中加10ml蒸馏水溶解。然后缓慢加入称量好的NH4VO3。
8. 在75℃左右，磁力搅拌40min，溶液由橙黄色变为深蓝色均匀的溶胶。
9. 将该溶胶盛于刚玉坩埚中，放入预热到680℃的马弗炉中燃烧合成并保温1h，出炉空冷得到最终产物。
10. 在紫光灯下观察样品的发光情况。

实验流程简图：

实验现象观察及记录
观察记录溶解、搅拌过程中的实验现象，对得到的样品性状特征进行描述。在暗室中，通过紫光灯照射合成样品，初步观察样品的发光亮度和发光颜色，对不同实验条件下合成样品的发光情况进行相互对比，来观察不同的实验条件对合成样品发光情况的影响。

测试及分析
将合成样品进行X射线衍射、荧光光谱测试，分析测试数据，了解样品的发光性能及合成工艺参数之间的关系。

注意事项：
4、 严格控制物料的配比；
5、 严格称量；
6、 严格控制搅拌温度；
7、 观察实验过程中的颜色变化
实验结果及分析：

从X衍射分析可以看出，在约32°处图样出现最高峰，此时峰值最大，且峰值在1mol%—4mol%范围内，随之升高而降低，1mol%时的峰值最大。对比几组Ca含量可以看出，Ca含量为2mol%和3mol%时，衍射峰的强度越高。

学生实验 心得
通过两周的综合实验，从实验的要求，到实验的规范操作，老师都给予了细心的教导。明确了材料制备及合成实验的要点及思路。观测到了实验的现象，学会通过仪器来测定样品的性能。

学生（签名）：
年 月 日
指导
教师
评语

成绩评定：
指导教师（签名）：
年 月 日

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