应力发光,是指在各类机械力包括但不限于压缩、拉伸、摩擦、刮擦、冲击等力作用下,发出人类易于感知的可见光或便于采集监测的紫外或红外光。1999年,日本产业技术综合研究所的Chao-Nan Xu等首次报道了ZnS:Mn2+和SrAl2O4:Eu2+材料的高亮度弹性应力发光。经过20余年的发展,应力发光材料已广泛用于应力传感、信息储存、无损检测、生物成像以及印刷包装防伪等领域。
专利全景:中国崛起,深大领跑
全球50%以上专利被中日包揽,应力发光材料技术发源于日本,中国加速追赶,近五年赶超日本,成为该领域年专利公开量最多的国家。
图1 WIPO与五大局(中、美、日、韩、欧)的专利公开趋势河流图
虽然中国专利公开量最大,但从全球专利流向图可以看出,中国申请人大部分局限于在国内申请相关专利,缺乏全球专利布局。
图2 应力发光材料领域全球专利流向图
对全球应力发光材料专利申请人进行分析,结果表明应力发光材料的奠基人Chao-Nan Xu所在的日本产业技术综合研究所(AIST)的专利申请量遥遥领先,深圳大学在应力发光材料领域的申请量处于国内领先位置。
图3 应力发光材料领域全球专利申请人排名
图4 应力发光材料领域中国专利申请人排名
颠覆性应用:科幻照进现实
应力发光材料由于能在多种形式的机械刺激下发光,使得其应用场景十分广泛,在应力传感、防伪加密、照明显示、可穿戴设备、结构损伤诊断等领域均体现出极大的应用价值。
防伪加密
应力发光材料由于其受力即发光特性,可以产生多种形式的防伪方案。如将其制备成防伪标签,贴于品牌logo,条形码区域,可以实现刮擦发光防伪。选择一些不可恢复式应力发光材料,用于加密信封的开口处一旦信封被开启,发光材料就会被破坏,起到一次性防伪和保密效果。
照明显示
应力发光材料能够在按压、水流、气流、摩擦等机械刺激下释放能量并发光,是一种相对特殊的发光形式,同时在缺少电源的情况下,应力发光荧光粉为照明和显示提供了独特的解决方案。
可穿戴设备
应力发光材料可以将人体的各种运动转化为光信号,或者构造自供电人造皮肤和纺织品,用于人类社会活动和智能服装等。与利用电相关性的智能皮肤相比,基于应力发光的光子皮肤简单、经济且安全,因为其不受电磁干扰影响并且没有引线键合。
结构损伤诊断
在装备结构表面构建应力发光传感涂层,将变形和损伤演化转为直观可视的发光或颜色改变,并基于发光变色响应开展装备结构的结构完整性评估,为非接触、大范围和可视化的损伤检测和评估方法提供了新思路。
未来趋势:走向智能生活
变废为宝
深圳大学彭登峰教授课题组以蛋壳为钙源,并结合硫化锌、掺杂离子得到了成本低、发光性能好的绿色环保应力发光复合材料(CN111909689A)。
微型集成
南开大学张扬教授课题组发明了一种声表面波的可视化检测器件(CN109341840A),将应力发光薄膜应用在微流控器件等精密仪器上,解决了当前的声表面波检测方法面临测试仪器精密昂贵,运行费用高,对环境振动敏感,检测费时费力,不能原位实时快速检测等诸多问题。
多模态协同
宁波大学罗来慧教授课题组发明了一种多模态刺激发光柔性装置(CN117769280A),具有优异的光致发光、电致发光、应力发光和多模态发光显示功能,为柔性可穿戴电子皮肤提供了材料基础。