聚苯胺光子晶体的制备及其性能研究

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电致变色材料可以通过外场改变材料的光学参数,实现对可见及红外光波段的调控,同时电致变色材料还具有柔性、轻质、大面积、可靠性高等特点,特别适合于对功率和质量要求苛刻的航天器智能热控。光子晶体作为近十余年来的国际研究热点,但基于光子晶体智能热控技术的研究目前尚不丰富。本文以典型有机电致变色材料——聚苯胺为研究材料体系,结合光子晶体的有序结构和带隙特性,制备新型电致变色材料,以实现对光和热的调控。  本文通过模板辅助电沉积方法制备聚苯胺光子晶体,并针对大面积胶体晶体模板的快速制备工艺、聚苯胺光子晶体的光子带隙调控与电场调节三大问题进行重点研究,最后组装基于聚苯胺光子晶体的电致变色器件。本文的主要研究内容及结果如下:  提出聚苯乙烯微球的紫外-臭氧表面处理工艺及恒温减压、环形生长等方法改进垂直沉积工艺。红外光谱测试等表明紫外-臭氧表面处理会提高微球表面的羧基、羟基等活性基团的数量,从而提高微球乳液的浸润性和微球间的结合强度,实验表明处理时间最佳为15min;恒温减压法不仅大大提高了垂直沉积自组装过程中溶剂的蒸发速率从而提高了胶体晶体的生长效率;而在柔性基底上利用环形垂直沉积工艺可以制备大面积的胶体晶体模板。  通过模板辅助电沉积方法制备了聚苯胺光子晶体材料,并对其制备过程工艺参数进行研究。获得的最佳工艺参数有:沉积温度为25-35℃,苯胺与盐酸的浓度比为1:2,同时随着沉积时间的延长,薄膜的厚度和变色调控能力都在提高。另外还发现聚苯胺首先在模板中的缺陷处优先电沉积与聚合生长,其次发生在沿厚度方向模板中的微球之间的孔隙处;有机溶剂溶解过程时间最佳时间在12h左右。  对光子晶体的光子带隙位置、光子带隙的空间分布以及 Brewster角附近的光子带隙进行研究。为了更好地解释了由于材料的吸收导致的光子带隙蓝移现象,首次引入有效透过体积分数(φtrans)以修正 Bragg-Snell方程,通过此方程解释了聚苯胺/聚苯乙烯光子晶体从还原态到氧化态出现的近10nm的蓝移现象;光子晶体的反射能量和透射能量从光斑中心位置向周边衰减;发现光子晶体在 Brewster角附近发生光子带隙处的反射峰劈裂现象。光子晶体显色研究表明光子晶体的单一色彩主要是光子带隙处强烈的反射峰所引起,而彩虹色的形成主要是光子晶体的多级衍射导致。  通过电化学手段对聚苯胺/模板复合光子晶体和反蛋白石结构聚苯胺光子晶体在不同电压下的着色效率、电致变色响应速率、离子扩散系数等电致变色性能进行研究。结果发现,两种光子晶体材料的光学密度和着色效率均有大幅度的提高。我们认为,有序结构的引入大大增加了光在材料内的传输路径长度,加强了光在材料内的吸收作用,从而提高了聚苯胺在着色态或褪色态的着色效率。另外,反蛋白石聚苯胺光子晶体的电致变色时间最短,聚苯胺薄膜次之,而聚苯胺/模板复合光子晶体的变色时间最长。聚苯胺中有序孔结构的引入,不仅提高了离子扩散系数同时也缩短了离子扩散距离。而聚苯胺/聚苯乙烯复合结构光子晶体虽然具有较大的离子扩散系数,但由于聚苯乙烯微球的不导电导致离子扩散距离增加,最终导致电致变色响应速率降低。  设计并组装了基于反蛋白石结构聚苯胺光子晶体的电致变色器件,该器件使用两电极,施加±1V的电压即可实现电致变色。制备的电致变色器件具有很好的循环伏安稳定性,通过光谱测试表明其在在近红外波具有0.25的反射率变化。
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