李廣權(quán)
(貴州路橋集團有限公司)
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長余輝材料在公路中的應(yīng)用
李廣權(quán)
(貴州路橋集團有限公司)
簡要的對長余輝材料的類型、發(fā)光原理及制備方法進行說明,綜述了長余輝材料在公路行業(yè)中的最新應(yīng)用研究。
長余輝材料;發(fā)光機理;應(yīng)用
長余輝材料有兩個重要的分支,即硫化鋅系發(fā)光材料和稀土激活堿土金屬鋁酸鹽發(fā)光材料。
1.1 硫化鋅系發(fā)光材料
硫化鋅發(fā)光材料從20世紀初就開始應(yīng)用在各個領(lǐng)域。該類型材料的代表是銅和鈷激活的硫化鋅。鈷和硫化鋅均為長余輝材料,在外部激發(fā)源(紫外線、可見光、X射線等)停止后,仍能在相當(dāng)長的時間內(nèi)發(fā)出熒光余輝(幾秒到十幾個小時)。以硫化鋅為基礎(chǔ)的長余輝發(fā)光材料如果受到紫外線的長期照射會變黑。在硫化鋅銅長余輝發(fā)光材料中摻入一定量的鈷雖然會增長余輝時間,但是卻會使得材料在紅外線的照射下,極大程度上減弱余輝程度。
硫化鋅系發(fā)光材料作為第一代長余輝發(fā)光材料,雖然發(fā)揮了一定的作用,但是該類型材料余輝時間較短、亮度也有待提高,正逐漸被市場所淘汰。
1.2 稀土激活堿金屬鋁酸鹽發(fā)光材料
稀土激活堿金屬鋁酸鹽發(fā)光材料是指以稀土為激活元素,以堿金屬鋁酸鹽為集體的發(fā)光材料。其中Eu和Dy共激活的鋁酸鍶SrO·nAl2O3;Eu,Dy是典型代表,是從20世紀90年代初發(fā)展起來的一類新型發(fā)光材料。這種材料的特點是起始亮度高,余輝時間長,無放射性,耐熱,耐環(huán)境侵蝕,抗氧化性能好,所以被廣泛應(yīng)用在建筑、消防安全等各個領(lǐng)域。
目前這種材料是研究應(yīng)用的主流產(chǎn)品,而且考慮到我國是稀土資源大國,稀土資源占全球稀土資源的80%,相應(yīng)這種材料仍有很大的發(fā)展空間。
2.1 發(fā)光機理
從20世紀末開始,人們一直致力于研究長余輝材料的發(fā)光機理,但是制約長余輝材料余輝性能的控制因素卻仍不清楚。普遍的共識是,長余輝材料因為自身具有適當(dāng)深度的陷阱能態(tài)能夠儲存能量,當(dāng)光激發(fā)時產(chǎn)生的自由電子會落入到陷阱中并儲存起來,停止激發(fā)后,熱擾動釋放出被俘的陷阱電子,然后與發(fā)光中心復(fù)合產(chǎn)生余輝光。當(dāng)陷阱逐漸變空,這也就是對應(yīng)著余輝逐漸變?nèi)醯倪^程。需要強調(diào)的是,材料除了會在自身制備過程中自然形成結(jié)構(gòu)缺陷外,還可以通過外界摻雜來獲得。而稀土離子就是一種很好的摻雜材料,它即是光源,又是陷阱,摻雜稀土離子的長余輝材料的性能較一般材料更高效。
除此之外,許多研究人員還提出了不同的理論模型來研究其發(fā)光機理,如空穴轉(zhuǎn)移模型、位型坐標模型、雙光子吸收模型、余輝能力傳遞模型等。但是這些理論都存在一定的局限性,不能完全解釋長余輝材料的發(fā)光機理,而且很多理論都停在假設(shè)階段,需要進一步進行驗證。
2.2 制備方法
因為長余輝發(fā)光材料包含不同類型,不同類型的材料需要采用不同的制備方法。目前長余輝材料主要的制備方法有高溫固相反應(yīng)法、燃燒法、水熱合成法、溶膠-凝膠法、共沉淀法、微波法等。沒有哪張方法是絕對好或者絕對差的,各種制備工藝方法都各有所長,其制備出來材料的性能也各有優(yōu)勢。所以現(xiàn)在目前在制備方法方面的主要研究是將各個制備方法進行優(yōu)化組合,尋找出既能滿足性能要求又滿足其他經(jīng)濟、環(huán)保等要求的高效制備方法。
長余輝材料很早就開始應(yīng)用在發(fā)光標志的制作上,這種標志普遍作用為應(yīng)急救生指示標志。采用該材料制作的發(fā)光標志能夠在火災(zāi)引發(fā)的濃煙環(huán)境中對人群進行有效指示疏散,在911事故中,這種發(fā)光標志起到了很大的作用。隨后這種材料逐漸開始應(yīng)用到公路上的標志制作中。如浙江金華交通局研究的課題《農(nóng)村公路、隧道反光自發(fā)光復(fù)合交通安全標志研究》研發(fā)出了適合公路交通環(huán)境條件下具有夜光指示警示功能的8種公路夜光標志牌,并在金華進行了大面積推廣,取得了良好的使用效果。
除了在交通標志方面的應(yīng)用,長余輝材料也開始應(yīng)用到路面標線的制作當(dāng)中。在許多山區(qū)、農(nóng)村公路等光源較少的地方,采用該種材料制作的路面標線在白天吸收光照3~5 min后能夠在夜間持續(xù)發(fā)光約12 h,能夠為行人和非機動車等提供良好的視線范圍,提供安全保障。北京澤陽通泰交通科技有限公司和北京路橋瑞通養(yǎng)護中心分別研發(fā)了路面自發(fā)光標線材料,并且在密云和卸河都修建了相關(guān)的實驗路。實驗路段取得了不錯的效果,經(jīng)過數(shù)年后仍然具有良好的使用效果。除了滿足相關(guān)道路標線的規(guī)范要求,這種長余輝材料制作的路面自發(fā)光表現(xiàn)材料還比普通標線涂料具有更好的耐磨性,平均要高出1~1.5倍,而且與現(xiàn)有道路標線施工器械能夠?qū)崿F(xiàn)無縫對接,無需采購新儀器。
長余輝材料在隧道中的應(yīng)用則是另一個發(fā)展趨勢。貴陽高速公路集團有限公司成立的課題《山區(qū)高速公路隧道運行光環(huán)境及應(yīng)對技術(shù)研究》成功將蓄能發(fā)光涂料技術(shù)、智能無級調(diào)光控制技術(shù)和變色溫?zé)艏夹g(shù)逐步廣泛應(yīng)用到高速公路隧道中。這種隧道壁蓄能發(fā)光涂料能夠在高速公路隧道發(fā)生火災(zāi)等緊急情況下,具有穿透煙霧的特殊作用,為應(yīng)急逃生提供照明。從實際效果來看,能夠極大的提升隧道事故中的救援效率。除了救援方面的好處,這種蓄能發(fā)光涂料技術(shù)通過與LED燈組合布設(shè)在隧道中能夠節(jié)約照明用電,實現(xiàn)節(jié)能減排的目的,創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益。除了這種蓄能發(fā)光涂料,市面上還有許多其他功能型的長余輝發(fā)光材料可供選擇,如武漢廣益交通科技有限公司生產(chǎn)的引路牌蓄能發(fā)光涂料和重慶萬耀防火材料有限公司生產(chǎn)的隧道防火蓄能涂料都已通過市場檢驗。
綜上所述,長余輝材料因其材料自身的優(yōu)勢,已經(jīng)逐漸開始在公路行業(yè)得到應(yīng)用。但是仍然處于較為初級的階段,雖然優(yōu)勢突出,但是其缺陷也是十分明顯的,如造價過高,存在地區(qū)適用性等問題。另一方面,我國作為稀土資源大國,全球80%稀土資源儲存在我國,同時,市場需求的進一步擴大,這些都將促使長余輝材料的不斷發(fā)展,可以預(yù)見,長余輝材料在公路行業(yè)的發(fā)展將會迎來巨大的發(fā)展。
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2015-04-11
李廣權(quán)(1988-),男,助理工程師,研究方向:橋梁臨時結(jié)構(gòu)及材料應(yīng)用。
U414
C
1008-3383(2015)11-0007-01