新型柔性陶瓷薄膜可375℃下持續(xù)發(fā)光

在柔性光致發(fā)光材料“高溫發(fā)光”的賽道上，西安工程大學(xué)張坤團(tuán)隊(duì)發(fā)表在Advanced Optical Materials 的最新工作把柔性可見(jiàn)發(fā)光的耐溫極限推至375℃，并首次利用X射線全散射測(cè)量為非晶陶瓷納米纖維的“柔韌性+高溫發(fā)光”機(jī)制拍下了微觀結(jié)構(gòu)高清特寫。碩士研究生穆丹為第一作者（現(xiàn)已入職咸陽(yáng)師范學(xué)院）。

柔性光致發(fā)光材料作為一類可適配復(fù)雜曲面的光學(xué)材料，在極端環(huán)境監(jiān)測(cè)、特種裝備可視化及高溫設(shè)備標(biāo)識(shí)等領(lǐng)域具有不可替代的應(yīng)用價(jià)值。然而，傳統(tǒng)柔性光致發(fā)光材料在極端條件下的服役性能存在顯著局限，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：（1）基材耐高溫瓶頸：常規(guī)柔性聚合物基材的耐高溫性差，即使特制有機(jī)聚合物也難以在300℃以上長(zhǎng)時(shí)間工作，無(wú)法滿足航空航天等極端場(chǎng)景的需求；（2）發(fā)光均勻性調(diào)控難題：發(fā)光中心分散不均導(dǎo)致高溫下發(fā)光均勻性差；（3）高溫發(fā)光猝滅效應(yīng)：溫度超過(guò)200℃時(shí)，傳統(tǒng)柔性發(fā)光材料易出現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度急劇下降（猝滅），嚴(yán)重限制其在極端環(huán)境中的發(fā)光應(yīng)用。因此，迫切需要在具有極端溫度穩(wěn)定性的柔性光致發(fā)光材料領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，以推動(dòng)柔性發(fā)光器件的發(fā)展。

為了實(shí)現(xiàn)柔性發(fā)光材料超寬溫域內(nèi)穩(wěn)定發(fā)光并兼具優(yōu)異力學(xué)性能，張坤團(tuán)隊(duì)采用靜電紡絲結(jié)合后續(xù)煅燒的工藝，成功制備出柔性非晶Sm2O3-La2O3-ZrO2（SLZ）納米纖維薄膜，為柔性高溫光致發(fā)光器件的發(fā)展提供了新范式。該柔性發(fā)光納米纖維薄膜的核心優(yōu)勢(shì)如下：（1）超寬溫域發(fā)光不褪色：從 -12 ℃的低溫到375 ℃的高溫，紅光亮度和顏色幾乎無(wú)變化，覆蓋了絕大多數(shù)極端應(yīng)用場(chǎng)景的溫度范圍。（2）耐溫極限推至375 ℃：在 375℃下連續(xù)加熱24小時(shí)，材料既沒(méi)有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)開(kāi)裂、褶皺，發(fā)光亮度也無(wú)明顯下降，解決了傳統(tǒng)材料高溫易老化的痛點(diǎn)。（3）反復(fù)彎折仍穩(wěn)定發(fā)光：經(jīng)過(guò)多次反復(fù)彎曲測(cè)試，材料優(yōu)異的力學(xué)性能仍能保持；即使在折疊、拉伸狀態(tài)下發(fā)光功能完全不受影響，顯著優(yōu)于多數(shù)柔性發(fā)光材料。

這種薄膜材料的優(yōu)異性能來(lái)自獨(dú)特的非晶納米纖維結(jié)構(gòu)。短程有序（Short-range Order）——發(fā)光中心穩(wěn)定：強(qiáng)短程有序表明[SmO]多面體形成以及局部配位結(jié)構(gòu)剛性，保證了發(fā)光中心（Sm3+）的環(huán)境穩(wěn)定性，從而確保了光致發(fā)光的穩(wěn)定性，并為發(fā)光均勻性奠定基礎(chǔ)。中程有序（Medium-range Order）—發(fā)光及力學(xué)強(qiáng)化：[Sm3]-O-[Sm3]中程有序連續(xù)性結(jié)構(gòu)，抑制了高溫下配位環(huán)境的破壞，有效減弱了高溫下的發(fā)光淬滅；同時(shí)提高非晶氧化物的韌性，增強(qiáng)了材料的機(jī)械強(qiáng)度和抗變形能力。長(zhǎng)程無(wú)序（Long-range Disorder）—非晶態(tài)結(jié)構(gòu)增柔：長(zhǎng)程無(wú)序避免了結(jié)晶材料中因原子長(zhǎng)程規(guī)則排列形成的“薄弱面”（易斷裂的原子平面），顯著降低了材料的脆性，提升了柔韌性和抗斷裂能力，使其能適應(yīng)極端環(huán)境下的機(jī)械應(yīng)力。