第七讲_光功能与复合材料.ppt

1、光功能复合材料,成员：陈佳杰，江振权，余洪恰，潘哲,2,光功能复合材料,光功能复合材料是指具有光学或光电功能特性的复合材料，它可以由具有光功能特性的功能体与普通基体复合而成，也可以由具有光功能特性的功能体与具有光功能特性的基体复合而成。,透光功能复合材料,通常所说的透光复合材料主要指玻璃纤维增强透明基体的复合材料，其透明基体可以是透明的聚合物、玻璃、单晶或玻璃陶瓷等。,透明玻璃纤维增强塑料，俗称透明玻璃钢是目前最常用的聚合物基透光复合材料，它是以玻璃纤维（直径6-10m）与不饱和聚酯或丙烯酸酯复合而成的一种新型的采光材料。,3,透明玻璃钢性能的特点：,透明玻璃钢的透光率高达85%-90%，与普

2、通玻璃向近似，但他具有足够的强度和刚度，特别是冲击强度优于玻璃，不像玻璃那样容易自爆，是一种能采光又能承受载荷的多功能材料。 透明玻璃钢的密度小于玻璃约为玻璃的60%-80%，同时使用时玻璃钢可以很薄，如温室用玻璃5 mm，而玻璃钢为0.8-1.5 mm。 透明玻璃钢属非均质透光材料，光线透过时能产生散射作用，而使室内光线均匀。 透明玻璃钢可按设计研究任意配色，使制品色泽鲜艳、美观 透明玻璃钢成型工艺简便,缺点： 耐久性差：7-10年； 透明度差：玻璃透光率99%；玻璃钢最高90%。,4,玻璃纤维和黏结剂的折射率 折射率的差值越小，玻璃钢的透射率越大。 玻璃纤维和黏结剂的光吸收系数 材料本身的

3、性质。另一方面在粒子体积含量不变时，散射随粒子尺寸成三次幂增加。对于聚合物，若能将粒子尺寸减少至100nm，其散射强度将非常小。 玻璃纤维的直径及其在玻璃钢中的体积含量 直径越细，透光系数越小。在相同纤维含量下，纤维的直径越细，表面积越大，玻璃钢的反射系数越大，因而降低玻璃钢的透光系数。 一般情况下，玻璃钢的透光系数随玻璃纤维体积含量的增加而减少，但如果玻璃纤维的折射率与黏结剂的折射率相差很小，且玻璃纤维的吸收系数小得多，则可能发生玻璃钢的透光率随玻璃纤维体积含量的增加而增大的情况。,影响玻璃钢透光率的因素：,5,透光复合材料的应用与发展,透光复合材料的性能取决于树脂基体、玻璃纤维以及填料、纤

4、维与树脂间界面的黏结性能以及光学参数的匹配。 强度和刚度取决于纤维，纤维的光学性能一般较固定；而树脂在相当程度上与其化学、物理性能有关。 目前研究工作的重点之一是如何使树脂的光学性能与玻璃纤维相匹配，同时兼顾如力学性能、阻燃性、耐老化性、色泽等其他性能。,6,光致变色复合材料,光致变色复合材料是指能在激发下产生变色作用的复合材料，它是光功能复合材料中比较有特殊性的一类。,原理：,所谓光致变色是指一个单一化学物质A在受到某种波长光的照射时，结构发生变化，形成B；若用另一种波长光照射或在热的作用下，物质B又可以可逆地形成物质A。,光色玻璃,用玻璃作基体的光致变色复合材料,在紫外光或可见光中的蓝紫光

5、辐照下，能够在可见光区域产生光吸收而着色，去除辐射后又回复原始状态。目前的光色玻璃大致有还原性碱金属硅酸盐玻璃、含卤化银玻璃和以CdO为主的玻璃,7,感光复合材料,在光的作用下能迅速发生光化学反应，引起物理和化学变化的复合材料。其功能体通常有感光树脂和感光化合物。,感光树脂：在光作用下，短时间发生化学反应，并使其溶解性发生变化的一类高分子。即高分子吸收光能后，借助吸收的能量使分子内或分子间发生化学反应，导致分子链结构发生变化。,光刻胶：由感光性化合物与高分子复合而成的。正性光刻胶在光照时会发生分解，即是掩模透光的部分。用溶剂溶解后，未分解部分的图案同掩膜的图案完全一致。负性胶在光照时发生聚合和

6、交联反应，溶剂处理后留下的部分是掩膜透光的部分，其图案同掩膜图案正好相反。,8,梯度折射率材料( GRIN),目前采用的方法 1.把光学玻璃放到熔融的盐池中进行离子交换, 使得调制元素的浓度呈一定的曲线分布 2.化学气相沉积法,传统方法的局限,由这些技术制备的材料虽然适用于光导纤维、复印机系统、CD 读写以及成像装置, 但是熔融盐离子交换技术因离子在固体玻璃中的扩散系数较小, 使得扩散深度受到限制, 这一技术也限制了能强烈影响各种GRIN 材料的单价离子的使用; 化学气相沉积法能够制备大尺寸、折射率变化较大的材料, 但是其成本非常昂贵.,溶胶凝胶工艺是60 年代发展起来的一种材料制备方法,一些

7、易水解的金属化合物在某种溶剂中与水发生反应, 经过水解与缩聚过程逐渐凝胶化, 再经过干燥、烧结等后处理工序, 最后制得所需材料,优点:,首先, 它的工艺过程温度低, 在玻璃和陶瓷方面, 可制得一些传统方法难以得到或根本得不到的材料; 而且工艺温度大大降低, 也使材料的制备过程易于控制. 其次, 由于溶胶凝胶工艺是由溶液反应开始的, 从而所制备的材料非常均匀, 这对于控制材料的物理性能及化学性能至关重要. 自溶胶凝胶工艺应用于光学领域以来, 人们已由此工艺制备出各种光学薄膜, 如反射膜和减反射膜. 在光通讯技术中, 由于溶胶凝胶自身的优点, 已被采用制造光导纤维,自聚焦透镜是目前径向梯度介质材料

8、应用之一,它改变了介质材料纤维不能传像的状况 在内窥系统、传感器、光学透镜以及光通讯无源器件等方面有广阔的应用前景. 采用SolGel 工艺制备一种折射率分布曲线为抛物线型的光学介质材料.,采用溶胶凝胶折射率沿径向变化的梯度折射率材料, 除了可以通过计算反应物的成分配 比严格控制产物材料的成分, 还具有以下优点: 重要的折射率调制材料( 如铅、硼、铯、锗等)能够被引入凝胶中, 以至能够得到大折射率变化的材料; 深度扩散能迅速完成, 因为相互扩散的离子处于水溶液中; 不必考虑离子的化合价, 因为任何两种离子均能够相互扩散; 制备工艺、设备非常简单和便宜.,工艺过程,首先制备出包含有一种或几种折射

9、率修饰元素的凝胶, 然后把凝胶浸入到能够溶解其中的折射率修饰元素的溶液中, 允许调制元素溶解扩散, 使得凝胶玻璃中的调制元素含量形成梯度分布, 再烘干凝胶, 最后焙烧成为GRIN 玻璃.,1,35 mL 的正硅酸乙酯( TEOS) 、40 mL 乙醇以及10 mL 水混合均匀, 再加入1. 5 mL 盐酸( 1 mol/ L) , 由于反应是放热反应, 因此在反应结束后必须使得混合物冷却至室温.,2,在搅拌的情况下慢慢地加入9. 982 mL 钛酸四丁酯, 反应1 h. 然后将溶胶浇入直径为10 mm, 长为100 mm 的柱状玻璃模子中, 溶胶在50 和密闭情况下发生凝胶( 采用密闭的方法,

10、 凝胶易于脱模) .,3,24 h 后, 把凝胶从模子中取出放入到硝酸( 1 mol/ L) 溶液中, 浸泡25 min, 这使得钛的含量沿径向呈梯度变化, 用去离子水冲洗若干次后, 室温下放置风干7d, 然后在炉子里60 烘干72 h.,4,将烘干后的样品放入石英管炉中, 进行热处理, 在300以下, 必须保持升温速度为30 / h 以下以防止凝胶开裂, 300 后, 再以60 / h 在氧气气氛下( 通气量为50 mL/ min) , 升温至600 , 并600 保温处理24 h, 除去凝胶棒中的残余有机溶剂及有机基团, 通入氮, 升温至1 000 , 并在1 000 处理8 h, 使得凝胶棒进一步质密化. 降温速度不能太慢, 否则材料将晶化, 影响其光学性能. 最终形成直径约为5 mm, 长50 mm 的GRIN 凝胶玻璃棒.,材料折射率的变化的产生于凝胶棒在酸中的浸浴过程, 酸扩散到湿的、多孔的SiO2T iO2 凝胶中; 折射率调制元素Ti 溶于酸中; 凝胶的内外T i 的浓度差异使得溶解的Ti 向浓度低的溶液中扩散. 因此实验中通过控制凝胶的浸浴时间和