長余輝材料在公路中的應用

李廣權

(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用

李廣權

(貴州路橋集團有限公司)

簡要的對長余輝材料的類型、發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中的最新應用研究。

長余輝材料；發光機理；應用

1 長余輝材料的基本類型

長余輝材料有兩個重要的分支，即硫化鋅系發光材料和稀土激活堿土金屬鋁酸鹽發光材料。

1.1 硫化鋅系發光材料

硫化鋅發光材料從20世紀初就開始應用在各個領域。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，在外部激發源(紫外線、可見光、X射線等)停止后，仍能在相當長的時間內發出熒光余輝(幾秒到十幾個小時)。以硫化鋅為基礎的長余輝發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。

硫化鋅系發光材料作為第一代長余輝發光材料，雖然發揮了一定的作用，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光材料

稀土激活堿金屬鋁酸鹽發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年代初發展起來的一類新型發光材料。這種材料的特點是起始亮度高，余輝時間長，無放射性，耐熱，耐環境侵蝕，抗氧化性能好，所以被廣泛應用在建筑、消防安全等各個領域。

目前這種材料是研究應用的主流產品，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%，相應這種材料仍有很大的發展空間。

2 長余輝材料的發光機理及制備方法

2.1 發光機理

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深度的陷阱能態能夠儲存能量，當光激發時產生的自由電子會落入到陷阱中并儲存起來，停止激發后，熱擾動釋放出被俘的陷阱電子，然后與發光中心復合產生余輝光。當陷阱逐漸變空，這也就是對應著余輝逐漸變弱的過程。需要強調的是，材料除了會在自身制備過程中自然形成結構缺陷外，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光機理，如空穴轉移模型、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光機理，而且很多理論都停在假設階段，需要進一步進行驗證。

2.2 制備方法

因為長余輝發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勢。所以現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化組合，尋找出既能滿足性能要求又滿足其他經濟、環保等要求的高效制備方法。

3 長余輝材料在公路工程中的應用

長余輝材料很早就開始應用在發光標志的制作上，這種標志普遍作用為應急救生指示標志。采用該材料制作的發光標志能夠在火災引發的濃煙環境中對人群進行有效指示疏散，在911事故中，這種發光標志起到了很大的作用。隨后這種材料逐漸開始應用到公路上的標志制作中。如浙江金華交通局研究的課題《農村公路、隧道反光自發光復合交通安全標志研究》研發出了適合公路交通環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用，長余輝材料也開始應用到路面標線的制作當中。在許多山區、農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后能夠在夜間持續發光約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護中心分別研發了路面自發光標線材料，并且在密云和卸河都修建了相關的實驗路。實驗路段取得了不錯的效果，經過數年后仍然具有良好的使用效果。除了滿足相關道路標線的規范要求，這種長余輝材料制作的路面自發光表現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，而且與現有道路標線施工器械能夠實現無縫對接，無需采購新儀器。

長余輝材料在隧道中的應用則是另一個發展趨勢。貴陽高速公路集團有限公司成立的課題《山區高速公路隧道運行光環境及應對技術研究》成功將蓄能發光涂料技術、智能無級調光控制技術和變色溫燈技術逐步廣泛應用到高速公路隧道中。這種隧道壁蓄能發光涂料能夠在高速公路隧道發生火災等緊急情況下，具有穿透煙霧的特殊作用，為應急逃生提供照明。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，這種蓄能發光涂料技術通過與LED燈組合布設在隧道中能夠節約照明用電，實現節能減排的目的，創造更大的經濟效益。除了這種蓄能發光涂料，市面上還有許多其他功能型的長余輝發光材料可供選擇，如武漢廣益交通科技有限公司生產的引路牌蓄能發光涂料和重慶萬耀防火材料有限公司生產的隧道防火蓄能涂料都已通過市場檢驗。

4 結 語

綜上所述，長余輝材料因其材料自身的優勢，已經逐漸開始在公路行業得到應用。但是仍然處于較為初級的階段，雖然優勢突出，但是其缺陷也是十分明顯的，如造價過高，存在地區適用性等問題。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展，可以預見，長余輝材料在公路行業的發展將會迎來巨大的發展。

[1] 王倩. 發光混凝土的制備及性能研究[D].沈陽: 沈陽建筑大學, 2013.

[2] 陳偉. 新型硅酸鹽長余輝發光材料的制備與性能研究[D]. 武漢: 武漢理工大學, 2004.

[3] 李松坤,王小平,王麗軍,等. 長余輝發光材料的研究進展[J]. 材料導報, 2014, 卷(5): 63-67，84.

2015-04-11

李廣權(1988-)，男，助理工程師，研究方向：橋梁臨時結構及材料應用。

U414

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1008-3383(2015)11-0007-01