發光材料是一種能夠從外界吸收各種形式能量（如光能、熱能等）并轉換為非平衡光輻射的功能性材料，即當它受到光的輻射等外界能量的激發后，會將自身的部分能量以光的形式發射出來。因此，它是一種可以存儲太陽能的節能環保的發光材料，目前已經越來越受到人們的關注，并廣泛應用于照明、顯示器、安全標識以及生物醫學等領域。

碳酸鈣是自然界中存在的一種生物礦物質，在許多領域扮演著重要的角色。碳酸鈣是一種發冷光的物質，以它為基質摻雜稀土離子可以得到很好的發光強度和發光效率。

圖1 碳酸鈣發光材料應用于熒光燈

一、碳酸鈣的性質和分類

碳酸鈣俗稱灰石、石灰石、石粉、大理石等，在自然界中儲量非常豐富，常存在霰石、方解石、大理石等巖石內。不溶于乙醇，微溶于季銨鹽或含二氧化碳的水中，在水中幾乎不溶，呈中性，是一種無毒、無味、無刺激性的白色無機化合物，也是生產生活中廣泛應用的無機物之一。

根據碳酸鈣粉體粒徑的不同可分為五類：微粒碳酸鈣、微粉碳酸鈣、微細碳酸鈣、超細碳酸鈣、超微細或納米碳酸鈣。根據碳酸鈣晶型結構的不同可分為晶體碳酸鈣和非晶體碳酸鈣。

圖2 發光材料專用碳酸鈣（來源：佛山市松寶電子功能材料有限公司）

二、碳酸鈣的光學性能

碳酸鈣具有成為熒光粉基質的優秀潛力，

一方面，碳酸鈣作為一種廉價、節能、綠色環保且資源豐富的礦物材料，在造紙、塑料、橡膠、油漆及涂料方面己被大量成熟地應用。雖然中國碳酸鈣資源較為豐富，且生產企業數量繁多，但是生產企業規模小，重復建設嚴重，產品質量不穩定，品種單一，普通產品多，專用產品少，總體碳酸鈣的附加值較低。而碳酸鈣除了具有良好的力學和力學加工性能外，在熱、光、電、磁等方面也具有良好的表現，尤其是在光學方面具有很好的紫外吸收特性。所以提高碳酸鈣的附加值不僅是經濟發展也是社會發展中需要迫切解決的問題。

另一方面，碳酸鈣的晶型有三種，球霰石型、方解石型和文石型，晶型不同導致摻雜離子所取代的位置不同，發光性能也不同。球霞石型CaCO₃:Eu³⁺發光材料以紅光發射為主，方解石型CaCO₃:Eu³⁺發光材料則以橙紅發射為主，前者的發光強度高于后者。這也為研發基于碳酸鈣的稀土發光材料提供了很大的應用空間。

表1 不同晶型碳酸鈣的性質 

三、碳酸鈣的制備方法

根據生產工藝不同可將碳酸鈣分為重鈣與輕鈣。

重質碳酸鈣（GCC）的制備方法是直接通過機械粉碎機，這種方法習慣上稱為研磨法，是一種物理方法。

圖3 重質碳酸鈣（來源：廣西馬山明達新材料有限公司）

輕質碳酸鈣（PCC）的制備通常采用化學方法，目前所用的方法有碳化法、蘇爾維法、苛堿法和直接沉淀法，其中沉淀碳酸鈣較為普遍。

碳化法制備的碳酸鈣粒度小，一般粒徑在微米級以下，粒度均一且分散性好。通過改變條件，可獲得不同形貌和粒徑的產物，適應于不同行業的需求。但主要問題是反應過程中影響因素很多，不易控制。

直接沉淀法是研究人員經常采用的方法。一般以氯化鈣作為鈣源，常用的碳酸鹽有碳酸鈉和碳酸銨等。該法制備的碳酸鈣與重質碳酸鈣相比，粒度小且操作簡單，條件相對容易控制。

由于CaCO₃制備方式簡單多樣，稀土離子是以晶格取代方式存在于CaCO₃晶體中，物理化學性質穩定，發光強度與發光顏色均可調；同時，CaCO₃含量豐富，工業制備工藝完備，工業化大批量生產具備條件，很大程度上降低了生產成本。因此，隨著市場需求與研究創新，通過對CaCO₃基質的改性、稀土離子的改性以及引入其他功能化基團的復配，更多多功能、高性能的 CaCO₃基質熒光粉將會涌入市場。

四、稀土摻雜碳酸鈣發光材料應用于燈具制造

稀土元素摻雜碳酸鈣發光材料制備的熒光粉在燈的工作溫度范圍內可以保持良好的性能。通過調節不同顏色熒光粉的比例，可以配成冷白色、暖白色和日光等不同色溫的熒光燈。由于具有節能、環保和壽命長等優點，白光 LED 作為一種新型固態照明光源，正逐步取代高能耗鎢絲燈和含汞熒光燈。白光 LED 無機熒光粉多采用稀土離子或過渡金屬離子作為激活劑，以氧化物、氮(氧)化物以及無機鹽類等作為基質。對于多種熒光粉轉化的白光 LED，其發光效率比較低，有必要去開發一些單一基質白光發射的發光材料，以降低因不同熒光粉混合而對發光效率造成的影響。碳酸鈣是一種發冷光的物質，以它為基質摻雜稀土離子可以得到很好的發光強度和發光效率。而且其它濕化學法制備的熒光粉的前體大部分是無定型的，都需要較高溫度的煅燒后才能發光，而以碳酸鈣為基質則不需要煅燒，大大降低了成本且更加節能環保，碳酸鈣的工業制備已經很完善，為發光材料的大批量合成做好了準備。

來源：劉金智 基于重質碳酸鈣熒光材料的制備與發光特性的研究 浙江工業大學

粉體圈 作者：爾雨