Al2O3/ZnO一维光子晶体着色金属/纤维的制备及性能

论文摘要

光子晶体作为构筑结构色的一种重要手段,它通过选择性的反射位于可见光区某一频率范围内的光波而显现出鲜艳的色彩。与传统的有机染料和颜料相比,光子晶体结构色具有高亮度、高饱和度、高稳定性、不易褪色、环境友好等优点,同时还伴有偏振效应、虹彩现象。通常采用单分散的胶体微球自组装法制备光子晶体,然而,由于微球之间通过氢键、范德华力、静电力等较弱的相互作用力连接,降低了结构色的力学稳定性,极大地限制了光子晶体结构色的实际应用。因此,构建具有优异机械稳定性的光子晶体结构色仍然是目前面临的一个巨大挑战。本文利用原子层沉积过程中前驱体在基底材料表面的相互化学作用而形成的化学键及一维致密光子晶体结构,制备了一系列高饱和度、高稳定性、色彩鲜艳可调的光子晶体着色金属、碳纤维及聚酯纤维。首先,利用原子层沉积技术在金属铁表面沉积具有大折射率差值的Al2O3/ZnO作为周期性光子晶体层,通过控制沉积的循环数对结构色进行调控,进而制备出了色彩鲜艳、饱和度高、稳定性强的紫、绿、黄、橙、红等基于光子晶体的结构色。反射光谱数据表明随着ZnO层厚度的增加其反射峰位置从456 nm逐渐红移至718 nm。角分辨反射光谱结果证明多彩金属具有角度依存性。摩擦、水冲击、砂磨、光老化测试结果表明样品具有优异的机械稳定性,胶带剥离测试数据表明样品不具备良好的耐剥离性能。其次,以碳纤维及其织物为基底材料,在其表面沉积Al2O3/ZnO一维光子晶体,同样制备出了色彩艳丽、高稳定性的彩色碳纤维及碳纤维布。角分辨反射光谱测试结果表明彩色碳纤维具有径向无角度依存性,轴向有角度依存性的光学性质。高强低弹无机金属氧化物的引入提高了碳纤维的拉伸性能,其拉伸应力从3.1 GPa提高至5.1 GPa。摩擦、水洗、日晒等测试中表现出良好的稳定性。利用光子晶体表面对可见光（380-800 nm）和近红外区（800-1100 nm）的反射特性,将其进一步作为隔热材料,在1个标准太阳辐照度（910 W/m2）下可降温12°C。最后,在聚酯纤维表面沉积Al2O3/ZnO光子晶体,制备了一系列耐摩擦、耐洗涤、耐日晒等具有优异机械性能的一维光子晶体着色聚酯纤维,扫描电镜、能谱等形貌及成分表征结果表明光子晶体成功沉积在聚酯纤维表面。此外,光子晶体增强了纤维的形状记忆特性,彩色聚酯纤维在110°C的环境中可以在10 s内快速恢复到接近初始状态时的形状。同时,根据光子晶体的光子带隙效应,将其应用于光波导纤维,此光子带隙型可穿戴显色纤维在柔性显示、光传输领域均具有良好的应用前景。

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张乐乐

导师: 牛文斌,杜永林

关键词: 结构色,光子晶体,原子层沉积,机械稳定性

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,化学

单位: 大连理工大学

基金: 国家自然科学基金(21506023),辽宁省自然科学基金(20180550501),中央高校基本科研业务费(DUT19JC14)

分类号: O734

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.003432

总页数: 85

文件大小: 6174K

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