SiO2基非晶光子晶体结构色材料的研究

摘要

近年来，非晶光子晶体材料引起了人们的广泛关注，不仅是因为其内部结构的特殊性，还因为非晶光子晶体材料的颜色特性。非晶光子晶体材料具有短程有序，长程无序的结构。当入射光角度改变时，非晶光子晶体内部的光子带隙不随之改变，导致不随入射光角度改变的结构色，即所谓的非虹彩效应，给人更好的视觉感受，因此在功能性涂料和光电器件等众多的应用领域内具有广阔的发展前景。本文的主要内容包括： (1)从具有非晶光子晶体结构的生物体中获得灵感，使用乙炔黑粉体作为黑色添加剂，利用共混法将一定量的乙炔黑添加到SiO2纳米微球中，在恒温干燥箱下干燥即可得到不同颜色的结构色颜料。通过调节SiO2微球的直径，结构色颜料可呈现蓝色、绿色或紫红色。通过SEM图谱分析发现SiO2微球在该薄膜中呈无序堆积状态，乙炔黑颗粒以团聚的形式存在于体系中。结构色颜料还可以通过离心自组装法或喷涂法制备成非晶光子晶体结构色块体或薄膜形状。通过光学照片分析可知，乙炔黑颗粒有助于提高色彩饱和度且对色调无影响，同时结构色颜色不随着观察角度的变化而变化。 (2)纳米吡咯（Polypyrrole，PPy）颗粒也可以作为加强薄膜的结构色的可选物质，且结构色在陶瓷表面的应用极少涉及。因此，利用低温聚合法合成的PPy黑色粉体与SiO2胶体小球共混可以形成乙醇混合溶液，进一步通过滴涂法即可在陶瓷基底表面制备出不同颜色的非晶光子晶体结构色薄膜。研究结果表明，在直射光条件下所制备出的结构色薄膜会呈现金属光泽。通过详细调控SiO2胶体小球的尺寸以及SiO2和PPy颗粒的成分比例，还得到了非晶光子晶体结构颜色的色板图。这为今后非晶结构颜色应用于涂料，食品色素添加剂以及色彩显示等方面提供了基础。 (3)为了增加非晶材料中黑色添加剂的稳定性，实验中采用SiO2表面负载黑色物质PPy的核壳结构制备了一种结构色颜料。通过在单分散SiO2表面上原位聚合吡咯从而形成具有一层薄的黑色凹凸不平粒子的纳米颗粒。通过调节SiO2球的直径，结构色颜料可显示绿色、红色或紫色。而Py单体的负载量会影响颗粒形貌，在后续的研究中，我们确定了SiO2和吡咯单体的比值为0.25g:15μL。核壳结构还可以通过简单可控的喷涂法在玻璃基板表面形成明亮且具有低角度依赖性的结构色薄膜。光学表征结果表明，制备出具有高颜色对比度的结构色可以归因于SiO2表面上PPy颗粒对光的吸收。相比于原始SiO2的自组装，SiO2@PPy非晶光子晶体结构色薄膜的颜色有所改变，这可能是由于PPy的包覆使得粒子尺寸的增加同时赋予SiO2@PPy微球较低的折射率。 (4)在很多工业用途上都需要结构色材料具有高结合力和机械强度的特性，以提高外界刺激下结构色彩的稳定性。实验中，以不同颜色的SiO2@PPy非晶光子晶体结构色薄膜作为模板，随后在该薄膜表面反复填充聚乙烯醇(PVA)，几分钟后去除掉多余PVA溶液，经过恒温干燥即可得到具有高色彩稳定性且结构为各向同性的结构色薄膜。通过光学测试发现该薄膜能保持低角度依赖性并具有高结合力和机械强度，其在玻璃基底上结构色的反射峰会有轻微蓝移现象，但不影响颜色显示。这种现象对于结构色材料在实际生产生活中得到应用具有十分重要的意义。

目录

1 绪论

1.1 引言

1.2 结构色

1.3 自然中存在的非晶光子晶体结构

1.4 非晶光子晶体结构色材料的制备方法

1.5 非晶光子晶体结构色材料的应用现状

1.6 本课题研究内容及意义

2 SiO2/ACET非晶光子晶体结构色材料的制备及其研究

2.1 引言

2.2 实验过程

2.3 结果与讨论

2.4 本章小节

3 SiO2/PPy非晶光子晶体结构色材料的制备及其研究

3.1 引言

3.2 实验过程

3.3 结果与讨论

3.4 本章小节

4 SiO2@PPy非晶光子晶体结构色材料的制备及其研究

4.1 引言

4.2 实验过程

4.3 结果与讨论

4.4 本章小节

5 具有高色彩稳定性结构色薄膜的制备及其研究

5.1 引言

5.2 实验过程

5.3 结果与讨论

5.4 本章小节

6 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及专利

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