Ученическое исследование «Изучение свойств композитного материала на основе люминофора»


МБОУ «Гуманитарно-юридический лицей № 86»
Научно-практическая конференция «Шаг в науку»
Изучение свойств композитного материала
на основе люминофора
Выполнили: учащиеся 9А класса
Перевозчиков Георгий
Юшкетова Екатерина
Научный руководитель:
Кравченко Лора Викторовна
Ижевск 2016
Содержание
1. Введение стр.3
2.Теоретическа часть стр.4
3. Практическая часть стр.10
4. Выводы стр.15
5.Использованная литература стр.16
6.Приложение стр.17

Введение
Однажды, перемещаясь в поисках интересной информации по просторам Интернета, мы прочитали, что люминофор является полупроводником, то есть, как любой полупроводник он должен проводить электрический ток. Нам показалось интересным соединить свойства полупроводника с люминесцентными свойствами люминофора. Мы предположили, что композит из клея и люминофора может обладать полупроводниковыми свойствами. Светящиеся полупроводники можно было бы применять на практике в тех случаях, когда элемент конструкции должен быть виден в темноте, возможно, при использовании приборов или механизмов, сконструированных на основе новых материалов, слабовидящими людьми.
Тема работы: Изучение свойств композитного материала на основе люминофора
Цель работы: Изучить свойства композита на основе люминофора.
Задачи:
Исследовать, будет ли композит проводить электрический ток и измерить величину тока при различной разности потенциалов.
Исследовать, зависит ли сила свечения люминофора от различного внешнего излучения.
Объект изучения: Свойства композита на основе люминофора.
Предмет изучения: Проводимость электрического тока, сила свечения.
Гипотеза:
Композит на основе люминофора является полупроводником, который можно использовать в технике и быту.
Теоретическая часть
Люминофор - это абсолютно безопасное вещество, способное преобразовывать поглощаемую им энергию в световое излучении, которое он максимум излучает до 14 часов, именно столько длится излучение видимых для человека лучей, а невидимое до 48 часов. Так как существует множество видов разной энергии, следовательно, существует несколько видов люминофора, каждый из которых поглощает только одну.
Люминофоры по источнику возбуждения классифицируют:
Фотолюминофор — разновидность люминофоров, которые обладают свойствами сохранения накопленной энергии при возбуждении, и её отдачи, с обладанием собственного послесвечения какой либо продолжительности после прекращения возбуждения в виде светового излучения в видимой, ультрафиолетовой или инфракрасной зоне.
Электролюминофоры – разновидность люминофоров, которые излучают видимый свет под действием электрического поля или тока.
Катодолюминофоры - люминесценция, возникающая при возбуждении вещества потоками электронов, ускоренных во внешнем электрическом поле.
Рентгенолюминофоры - Специфика  возбуждения рентгеновскими лучами, по сравнению с фотовозбуждением, заключается в том, что на люминофор действуют фотоны со значительно большей энергией. При этом свечение люминофора вызывается не непосредственным действием самих рентгеновских лучей, а воздействием электронов, вырываемых из атомов или ионов основы люминофора рентгеновскими лучами. 
Радиолюминофоры – это такой вид люминофоров, свечение которых возбуждается излучением естественных или искусственных радиоактивных препаратов.
Хемилюминофоры – это вид люминофора, свечение которого
вызывается химическим воздействием, при протекании химической реакции.
Принцип работы каждого из них одинаковый: поглощая квант света, электрон постепенно переходит с самого 1 электронного уровня на самый последний, после он отдаёт этот квант обратно в виде свечения и возвращается на самый первый уровень. Также у сульфида цинка ширина запрещённой зоны (разность допустимых энергий электронов между дном зоны проводимости и потолком валентной зоны) является одной и самых больших у полупроводников.
Наиболее распространенные люминофоры создаются на основе алюминатов редкоземельных металлов, а также сульфатов и сульфидов цинка.
Алюминаты – это соли, образующиеся при действии щелочи на свежеосажденный гидроксид алюминия. Также их можно получить при растворении металла алюминия или его гидроксида в щелочи.
Одним из аспектов нашего исследования - будет изучение электролюмисценции - возбуждение люминофора проходит под действием постоянного электрического тока.
Полупроводники
Полупроводни́к — материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками, он отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.
Теперь надо разобраться в самом механизме электрической проводимости.
Полупроводники характеризуются, как свойствами проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах, атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в кристалле кремния, как и алмаза, связан двумя атомами), электронам необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома (1,76·10−19Дж против 11,2·10−19 Дж, чем и характеризуется отличие между полупроводниками и диэлектриками). Эта энергия появляется в них при повышении температуры (например, при комнатной температуре уровень энергии теплового движения атомов равняется 0,4·10−19 Дж), и отдельные электроны получают энергию для отрыва от ядра. С ростом температуры число свободных электронов и дырок увеличивается, поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное электрическое сопротивление уменьшается. Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией связи электронов меньшей чем 1,5—2 эВ. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников [приложение 1].
Так же существуют примесные полупроводники.
Примесная проводимость полупроводников — электрическая проводимость, обусловленная наличием в  полупроводнике  донорных  или акцепторных примесей.
Примесная проводимость, как правило, намного превышает собственную, и поэтому электрические свойства полупроводников определяются типом и количеством введенных в него легирующих примесей. Примеси можно разделить на донорные (отдающие) и акцепторные (принимающие). [приложение 2][приложение 3]
Донорные примеси — это примеси, поставляющие электроны проводимости без возникновения равного количества подвижных дырок.
Акцепторные примеси - это такие примеси, которые, захватывая электроны и создавая тем самым подвижные дырки, не увеличивают при этом числа электронов проводимости.
Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Это обуславливает переход электрона с другого атома на атом со свободным местом. На атом, откуда перешёл электрон, входит другой электрон из другого атома и т. д. Этот процесс обуславливается ковалентными связями атомов. Таким образом, происходит перемещение положительного заряда без перемещения самого атома. Этот условный положительный заряд называют дыркой.
Электрическое поле. Электрический ток
Электрическое поле — одно из двух компонентов электромагнитного поля, представляющее собой векторное поле, существующее вокруг тел или частиц, обладающих электрическим зарядом, а также возникающее при изменении магнитного поля (например, в электромагнитных волнах). Электрическое поле непосредственно невидимо, но может быть обнаружено благодаря его силовому воздействию на заряженные тела.
Для количественного определения электрического поля вводится силовая характеристика — напряжённость электрического поля — векторная физическая величина, равная отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещённый в данную точку пространства, к величине этого заряда. Направление вектора напряженности совпадает в каждой точке пространства с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд.

Основным действием электрического поля является силовое воздействие на неподвижные относительно наблюдателя электрически заряженные тела или частицы. На движущиеся заряды силовое воздействие оказывает и магнитное поле.
Однородное поле — это электрическое поле, в котором напряжённость одинакова по модулю и направлению во всех точках пространства. Приблизительно однородным является поле между двумя разноимённо заряженными плоскими металлическими пластинами. В однородном электрическом поле линии напряжённости направлены параллельно друг другу.
Электрический ток-это направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц. В полупроводниках им будут являться электроны и дырки (электронно-дырочная проводимость).
Электрический ток имеет следующие проявления:
нагревание проводников (не происходит в сверхпроводниках)
изменение химического состава проводников (наблюдается преимущественно в электролитах)
создание магнитного поля (проявляется у всех без исключения проводников).
Композитные материалы
Композицио́нный материа́л (КМ), компози́т — искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу (или связующее) и включённые в неё армирующие элементы (или наполнители). В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жёсткость и т. д.), а матрица обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды.
Механическое поведение композиции определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связей между ними. Характеристики и свойства создаваемого изделия зависят от выбора исходных компонентов и технологии их совмещения.
При совмещении армирующих элементов и матрицы образуется композиция, обладающая набором свойств, отражающими не только исходные характеристики его компонентов, но и новые свойства, которыми отдельные компоненты не обладают. Например, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкость материала.
Классификация композитов:
композиты обычно классифицируются по виду армирующего наполнителя:
волокнистые (армирующий компонент — волокнистые структуры);
слоистые;
наполненные пластики (армирующий компонент — частицы)
насыпные (гомогенные),
скелетные (начальные структуры, наполненные связующим).
Также композиты иногда классифицируют по материалу матрицы:
композиты с полимерной матрицей,
композиты с керамической матрицей,
композиты с металлической матрицей,
композиты оксид-оксид.
Практическая часть
План исследования
Изучить литературу по данной теме.
Выбрать клеевую основу для композита и исследовать её электропроводимость.
Изготовить композиты (люминофор и клей) различного состава и размера.
Исследовать электропроводимость образцов.
Определить, являются ли образцы электролюминофорами.
Выяснить, какая часть спектра вызывает фотолюминесценцию.
Измерить время послесвечения композита.
Обработать полученные результаты.
Сделать выводы.
Материалы и оборудование:
Материалы:
Люминофор – порошок с размерами частиц 45-55 мкм. Время послесвечения более 12 часов. Интенсивность послесвечения - 2380 мКд/м2 через 1 мин, 83 мКд/м2 через 60 мин.
Тип Состав, формула Точка плавления, С˚ Плотность г./см³ Цвет
днем свечение ночью
MHB Алюминат стронция с примесью европия (Sr4Al14O25:Eu,Dy,B) 1900 3,6 Светло
желтый Зелено-голубой
Клей силикатный. Жидкое стекло – это водный щелочной раствор полисиликатов натрия Na2O(SiO2)n, калия K2O(SiO2)n или лития Li2O(SiO2)n.
Клей обувной универсальный «Секунда». Состав: полиуретан, ацетон, метилэтилкетон, добавки.
Клей момент. Состав: полихлоропреновые каучуки, смолы, этилацелат, ацетон, алифатические и нафтеновые углеводороды, добавки
Клей ПВА. В состав входят дисперсия поливинилацетатная, грубодисперсная -ГОСТ 18992-80, поливиниловый спирт, реагент ВВ-2, клей КМЦ, каолин, акилбензосульфонат и другие вещества.
Герметик «Автосил» термостойкий. Состав: битум и каучука серого цвета.
Металлическая сетка.
Оборудование:
ИПР (Источник питания резервированный) (40-42 V , 6 А);
Мультиметр;
Соединительные провода;
Ключ;
Паяльник;
Секундомер.
Условия проведения эксперимента:
Температура в помещении 21-230С;
Постоянный ток.
Для выбора клеевой основы композита изготовили несколько образцов с разными видами клея, для этого изготовили 2 металлические пластины размером 2х2 см и поместили слой клея толщиной в 1мм между ними, дали им высохнуть, собрали электрическую цепь, подключив в неё в качестве проводника заготовки с клеем. Ток в цепи не протекал. Из чего мы сделали вывод, что имеем дело с диэлектриками.
Решено было изготовить образцы разной формы. В качестве клеевой основы выбрали силикатный и обувной клеи.
1 эксперимент: созданы образцы в форме цилиндра, для этого люминофор, тщательно смешанный с клеевой силикатной основой, поместили в прозрачные пластиковые трубки различной длины и внедрили с обеих сторон провода. Дали композитам высохнуть в течение суток.
№ образца Люминофор,
грКлей
силикатный, грДлина, смПлощадь поперечного сечения, см2
1 1 1 2,5 %:?***
2 1 1 5 3 1 1 7,5 4 1 2 2,5 5 0,5 2 2,5 Собрали электрическую цепь, состоящую из источника тока, ключа, мультиметра и исследуемого образца.
Измерили силу тока в цепи, при различных напряжениях 10, 20 и 30 В. Для этого использовали три образца составом 1:1 и три образца 2:1 (соотношение частей клеевой силикатной основы и люминофора). При измерении силы тока, обнаружили, что она убывает (в первые секунды стремительно, потом замедляясь). Поэтому каждое измерение проводилось в течение 2 минут. Показания мультиметра записывали с интервалом в 10 секунд. [приложении 4];[приложение 5].
Полученная зависимость противоречит теории и вольтамперной характеристики полупроводников. Следовательно, полученные образцы не являлись полупроводниками.
2 эксперимент: созданы образцы в форме прямоугольных пластин со сторонами 2х2 см и толщенной 1 мм, в качестве контактов использовалась тонкая железная сетка, к которой были припаяны провода. Люминофор, тщательно смешанный с клеевой основой (обувной клей), поместили между двумя такими пластинами. Дали композитам высохнуть в течение суток.
При проведении эксперимента ток не протекал. Полученное противоречие натолкнуло нас на мысль, что образцы в 1 и 2 эксперименте обладали разными свойствами. Анализ образцов показал, что в трубках силикатный клей не высыхал за 1-2 дня. Следовательно, именно клеевая основа являлась проводником. Для проверки данного предположения мы провели эксперимент: налили силикатный клей толстым слоем в пластиковый стакан и пропустили постоянный ток. При протекании тока на отрицательном электроде появлялись пузырьки газа, на положительном электроде образовывался плотный налет серого цвета, обладающий следующими свойствами: прочность, твердость. Исходя из состава силикатного клея, можно предположить, что газ – это кислород, а твердое вещество – кремний.
3 эксперимент: проводился с целью выяснить, является ли исследуемый люминофор электролюминофором. Исследуемые образцы были помещены в черный ящик, чтобы исключить попадание светового излучения. В темном помещении мы собрали электрическую цепь, пропустили постоянный ток при напряжении 10, 20 и 30В. Образцы не светились. Отсюда был сделан вывод, что наш люминофор не является электролюминофором.
4 эксперимент: проводился с целью выяснить, какая часть спектра вызывает фотолюминесценцию. Мы положили порошок люминофора и 5 образцов из первого эксперимента в черную коробку на 2 дня. В темном помещении, насыпав на темную поверхность, облучали при помощи лампы белым светом, используя цветофильтры и с ультрафиолетовым фильтром.
№ Цвет Длина волны, нм
1 Красный 620-780
2 Желтый 575-585
3 Синий 450-480
4 УФ Менее 380
Каждый эксперимент длился 5 минут, после чего мы фиксировали результаты. [приложение 6]
Не имея оборудования для измерения интенсивности свечения, результаты эксперимента мы представили в графическом виде, разработав собственную шкалу интенсивности свечения, где 0 – отсутствие свечения, а 5 – максимальная яркость.
Белый свет
0 1 2 3 4 5
Синий
0 1 2 3 4 5
Красный
0 1 2 3 4 5
Желтый
0 1 2 3 4 5
УФ
0 1 2 3 4 5
Из чего можно сделать вывод, что свечение вызывалось синей частью спектра и УФ.
Выводы:
Исследовав различные свойства композита из люминофора и клеевой основы, мы выяснили следующее:
1) Излучение образцов вызывалось синей и УФ частью спектра.
2) Время послесвечения композита……………
3) Композиты, данного состава не являлись электролюминофорами.
4) Исследованные образцы не обладали свойствами полупроводников.
В научном исследовании, далеко не всегда можно предвидеть конечный итог и ход исследования может меняться в зависимости от промежуточных результатов. Так произошло и в нашей работе. Выдвинутая гипотеза не подтвердилась, что не уменьшает значимость работы. Ведь мы ознакомились с научными методами исследования, научились грамотно планировать ход научного исследования, провели ряд экспериментов с незнакомым нам материалом и заведомо неизвестными свойствами.
Конечно, наше исследование не претендует на исчерпывающее, возможно, использую другие условия эксперимента (низкие температуры, спекание частиц люминофора) мы получили бы другие результаты. Над этими вопросами можно продолжить работу в следующем году.

Использованная литература
Книга М. Д. Аксенова «Физика часть 2. Энциклопедия для детей»
Книга Н. Ф. Жиров «Люминофоры»
Интернет ресурсы:
https://ru.wikipedia.org/wiki/
http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/http://femto.com.ua/articles/part_2/2974.htmlhttp://physics.ru/courses/op25part2/content/chapter1/section/paragraph13/theory.htmhttp://www.eduspb.com/node/1756http://www.okleyah.ru/bitovie-klei/kley-pva.php
http://mastter.ru/408-zhidkoe-steklo.htmlhttp://ftemk.mpei.ac.ru/eltm/dielectrics.htmhttp://chem-bsu.narod.ru/ChemRadWeb/ch5/ch5.htmhttp://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/3123/Приложения
-22860308610Приложение 1
-251460478790Приложение 2 Приложение 3


Приложение 4
Время, сI, А
U= 10V U=20V U=30V
0 1,89 1,97 2,08
10 1,32 0,71 1,95
20 0,73 0,46 1,8
30 0,39 0,39 1,54
40 0,23 0,33 1,17
50 0,15 0,3 0,91
60 0,32 0,24 0,79
70 0,11 0,24 0,56
80 0,09 0,25 0,46
90 0,08 0,22 0,38
100 0,07 0,21 0,35
110 0,07 0,21 0,29
120 0,06 0,02 0,15
1:1 (клеевая силикатная основа и люминофор)
32004067945
Приложение 5
2:1 (клеевая силикатная основа и люминофор)
Время, с I,A
U=10V U=20V U=30V
0 3,3 9,8 15,86
10 2,84 1,37 1,66
20 2,95 0,77 0,36
30 2,91 0,64 0,78
40 2,81 0,54 0,54
50 2,62 0,5 0,61
60 2,42 0,45 0,5
70 2,08 0,41 0,44
80 1,82 0,39 0,44
90 1,63 0,36 0,46
1001,47 0,36 0,42
110 1,33 0,22 0,7
120 1,22 0,3 0,39
48196578105
Приложение 6
3082290125730-403860125730


Приложенные файлы

  • docx file45
    Размер файла: 530 kB Загрузок: 3

Добавить комментарий