3D打印用钙钛矿量子点/聚合物复合材料的制备及光学性能的研究

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增材制造技术(3D打印)作为工业4.0的重要标志,以其成型快、灵活性高等优势,被认为是可以推动新一轮工业革命的重要契机。熔融沉积成型(FDM)技术作为应用最广泛的3D打印技术,在3D打印发展中的起着至关重要的作用。然而,作为核心组件之一的FDM 3D打印线材却存在着功能性单一的缺点,并逐渐成为制约FDM打印技术发展的关键因素之一。将纳米材料加入到聚合物基线材中,开发出具有功能特性的复合材料并应用于线材制备中可极大促进FDM打印技术的发展。钙钛矿量子点因其光电性能优异及低成本和可加工性,在光伏、发光器件方面拥有巨大的潜力。本文通过将钙钛矿量子点(PQD)与热塑性聚合物聚己内酯(PCL)结合,制备具有光致发光特性的PQD-PCL复合材料,并加工成3D打印线材,最终组装LED器件。结论如下:(1)通过原位合成法和化学混合法,将钙钛矿量子点封装到PCL聚合物中,并研究合成出的两种复合材料的光学性能和稳定性。结果表明,相较于化学混合法,原位合成法制备的PQD-PCL复合材料具有更高的光致发光量子产率(PLQY)和光、水稳定性。接着,研究了原位合成法中PCL的添加量对生成PQDs的形貌和发光性能的影响,结果表明随着PCL含量的增大,合成的钙钛矿量子点尺寸变小,也更易于出现团聚,导致PLQY降低。(2)研究了PQDs的嵌入对PCL的热性能和力学性能的影响,结果表明高温下PQD的团聚以及PQD与PCL基体之间较差的结合导致了PQD-PCL复合材料较纯PCL热转变温度的降低和力学性能的下降。其中当复合材料中PQD浓度较高时,其断裂模式由纯PCL的塑性断裂转变为脆性断裂。另外,将PQD-PCL复合材料加工成荧光FDM线材和荧光物体,并利用3D打印机打印PQD-PCL薄膜,进一步结合紫外LED芯片制备绿光LED,结合蓝光LED芯片和红色K2Si F6:Mn4+荧光粉制备白光LED,证明了PQD-PCL荧光线材在光电领域中巨大的潜力。(3)通过将钙钛矿前体混合研磨合成MAPb Br3量子点,并研究它们的发光性能。结果表明,研磨法制备出钙钛矿量子点具有较大的粒径及PL半峰宽,且PLQY为5.4%。通过加入KI可以使得碘离子替换MAPb Br3量子点中的溴离子,制备出MAPb I3量子点。另外钾离子还可充当封端配体,钝化量子点表面缺陷使得PLQY增大至23.9%。将MAPb Br3粉末与PCL粉末机械混合制备FDM线材,进一步打印荧光薄膜后与紫外LED芯片结合制备绿光LED,验证了机械混合法制备荧光线材策略的可行性。
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