研究背景：

光致变色材料在智能显示、光存储、光学开关等领域应用广泛，其中无机光致变色材料因优异的热稳定性、抗疲劳性和化学稳定性成为研究热点，但传统无机材料存在响应速度慢、颜色恢复方式单一等局限。目前光致变色陶瓷主流制备方法为固相法，虽工艺成熟、成本可控，却存在固态原料混合不均、传质效率低、形状尺寸受限等问题，难以满足实际应用需求。流延法作为一种基于浆料成型的先进陶瓷制备工艺，为解决固相法的缺陷提供了新路径，理论上可从根源上优化陶瓷的晶粒形貌、致密度及元素分布，进而同步提升材料的光致变色性能与力学性能。在此背景下，开发基于流延法的高性能BaMgSiO₄基光致变色陶瓷，解决传统材料与工艺的局限，成为推动光致变色材料在陶瓷背板多功能显示、高精度光存储等领域应用的关键需求，作为此研究的核心出发点。

研究内容：

内蒙古科技大学铁电新能源材料与器件创新团队通过固相法和流延法，制备了BaMgSiO₄: 0.5 mol%Eu²⁺/x mol%Fe³⁺光致变色陶瓷，系统对比两种方法对材料性能的影响。流延法在先进陶瓷制备中广泛应用，但目前在光致变色材料领域的实际应用却较为有限。在本研究中，流延法通过制备均匀浆料优化微观结构，得到的陶瓷晶粒尺寸集中、致密度高而且元素分布均匀。在力学性能方面流延法所得陶瓷维氏硬度（6.4 GPa）、断裂韧性（3.4~3.5 MPa・m^1/2）均优于固相法所得陶瓷。其中流延法所制备的BaMgSiO₄: 0.5 mol%Eu²⁺/0.5 mol%Fe³⁺组分陶瓷，在365 nm的紫外光辐照下，仅需6 s即可达到最大变色对比度92.9%。文章还通过EPR、XPS、热释光谱等测试方法论证了BaMgSiO₄基光致变色陶瓷的变色机理。

图1 流延法制备光致变色陶瓷流程示意图

图2 （a）BMS基陶瓷样品的XRD图谱;（b）固相法制备BMS:x=0.5样品的SEM图，插图为其晶粒尺寸分布图;（c）流延法制备BMS:x=0.5样品的SEM图，插图为其晶粒尺寸分布图;（d）流延法制备BMS:x=0.5样品的元素分布图谱;（e）固相法制备BMS:x=0.5样品在365 nm紫外光辐照前与辐照后的漫反射光谱图;（f）流延法制备BMS:x=0.5样品在365 nm紫外光辐照前与辐照后的漫反射光谱图

图3 （a）固相法和流延法制备BMS:x=0.5陶瓷样品的维氏硬度；（b）固相法和流延法制备BMS:x=0.5陶瓷样品的断裂韧性；（c）固相法制备BMS:x=0.5陶瓷样品的断裂韧性压痕；（d）流延法制备BMS:x=0.5陶瓷样品的断裂韧性压痕

图4 （a）BMS和BMS:x=0.25、0.5、0.75陶瓷样品在365 nm辐照1 s后的漫反射光谱；（b）BMS和BMS:x=0.25、0.5、0.75陶瓷样品在365 nm辐照（6 s）至完全变色后的漫反射光谱;（c）BMS:x=0.25、0.5、0.75陶瓷不同照射时间的反射率变化 （525 nm）;（d）BMS:x=0.5陶瓷样品随365 nm紫外光辐照时间变化的漫反射光谱；（e）BMS:x=0.5陶瓷样品随太阳光（户外）辐照时间变化的漫反射谱；（f）BMS:x=0.5陶瓷样品在365 nm紫外光辐照6 s后，利用530 nm可见光照射不同时间进行褪色的漫反射光谱；（g）BMS:x=0.5陶瓷样品在365 nm紫外光辐照6 s后，利用不同温度热处理20 s进行褪色后的漫反射光谱；（h）BMS:x=0.5陶瓷样品在525 nm处的反射率随热处理温度的变化；（i）BMS:x=0.5陶瓷在365 nm光照（6 s）与热处理（220 ^oC，20 s）交替进行条件下，525 nm处的反射率在20次可逆循环过程中的变化

图5 （a）BMS:x=0.5陶瓷在365 nm辐照前和辐照后氧空位信号的EPR光谱；（b）BMS:x=0.5陶瓷在365 nm辐照前O 1s XPS拟合光谱；（c）BMS:x=0.5陶瓷在365 nm辐照后O 1s XPS拟合光谱；（d）BMS:x=0.5陶瓷在365 nm辐照不同时间后的热释光曲线；（e）BMS:x=0.5陶瓷在365 nm辐照6 s后的拟合热释光曲线；（f）BMS基陶瓷的光致变色机理示意图

图6 （a）流延法制备BMS:x=0.5陶瓷光致变色颜色分辨率测试图；（b）流延法制备BMS:x=0.5陶瓷在365 nm或太阳光辐照下的着色（写入）和热激励下的褪色（擦除）行为。（c）固相法和流延法制备陶瓷在365 nm紫外光辐照下光致变色颜色随辐照时间的着色变化图；（d）固相法和流延法制备陶瓷在不同温度热刺激下的褪色变化图

原文链接

相关成果以《流延法制备高性能的BaMgSiO₄基光致变色陶瓷》为题发表在国内发光领域权威期刊《发光学报》上。内蒙古科技大学稀土产业学院2024级硕士研究生孙一贵为本文第一作者，内蒙古科技大学卢春晓讲师、赵烨副教授和广西师范大学张奇伟教授作为本文的共同通讯作者。

论文链接：

https://cjl.lightpublishing.cn/zh/article/doi/10.37188/CJL.20250212/ DOI：10.37188/CJL.20250212