智能变色材料
【摘要】:随着高新技术的不断发展,作为现代科技三大支柱之一的新材料技术业已成为世界各国学者们争相探索和研究的热点领域。材料技术是不同工程领域的共性关键技术,事实上,当代每一项重大的新技术的出现,几乎都有赖于新材料的发展。例如,导致电子技术革命的集成电路的发展,依赖于超纯半导体硅材料和化合物半导体材料的发展。进入2O世纪70年代以来,由于电子技术、通讯和控制技术等高技术含量行业的迅速堀起,要求材料的功能化、智能化、器件小型化的程度越来越高,使智能材料的研究更加受到人们的青睐。
功能材料通常可分为两大类:一类称为敏感材料,是对来自外界或内部的各种信息,如负载、应力、应变、振动、热、光、电、磁、化学和核辐射等信号之强度及变化具有感知能力的材料,可用来制造各种传感器;另一类称为驱动材料,是在外界环境或内部状态发生变化时,能对之作出适当的反应并产生相应的动作的材料,可用来制成各种执行器。气体、液体或固体中都可以观察到变色性,外界激发源可以是光、电、热和压力等。现在主要讲讲其中之一的变色材料。
【关键词】:智能材料、智能变色材料、光致变色、电致变色、热致变色
变色材料,顾名思义是可以变色的材料,而用术语描述则是在外界激发源的作用下,一种物质或一个体系发生颜色明显变化的现象称为变色性。在气体、液体或固体中都可以观察到变色性,外界激发源可以是光、电、热和压力等。
变色材料主要分为光致变色、电致变色、热致变色。
1.光致变色
光致变色(photochromism)现象是指一个化合物(A) 在受到一定波长的光辐照下,可进行特定的化学反应,获得产物(B),由于结构的改变导致其吸收光谱发生明显的变化(发生颜色变化),而在另一波长的光照射下或热的作用下,又能恢复到原来的形式。这种在光的作用下能发生可逆颜色变化的化合物,称为光致变色化合物。
现在光致变色在很多方面都有应用:在汽车工业方面,变色材料可用于制作变色车窗玻璃、变色油漆,尤其是变色车窗。其原理是当作用在玻璃上的光强、光谱组成、温度、热量、电场或电流产生变化时,玻璃的光学性能将发生相应的变化,从而使其在部分或全部太阳能光谱范围内从一个高透过状态变为部分反射或吸收状态,使玻璃发生变色反应,也可根据需要动态地控制穿透玻璃的能量;还有光致变色材料的防伪应用,一般是通过制成光致变色防伪油墨及防伪纸来实现的。其原理是将具有光色效应的材料通过混合于树脂液等粘合剂中,然后再涂布在纸基上,利用光致变色材料的可逆变色特性来鉴别真伪;光致材料还用于装饰和防护包装材料,比如:用作指甲漆、漆雕工艺品、T恤衫、墙壁纸等装饰品。为了适应不同的需要,可将光致变色化合物加入到一般油墨或涂料用的胶粘剂、稀释剂等助剂中混合制成丝网印刷油墨或涂料,还可将光致变色化合物制成包装膜、建筑物的调光玻璃窗、汽车及飞机的屏风玻璃等。
2.电致变色
电致变色是指在电流或电场的作用下,材料发生光吸收或光散射,从而导致颜色产生可逆变化的现象。
电致变色在实际中应用特性为:①具有良好的电化学氧化还原可逆性;②颜色变化的响
应时间快;③颜色的变化应是可逆的;④颜色变化灵敏度高有较高的循环寿命;⑤有一定的储存记忆功能;⑥有较好的化学稳定性。在生活中多用于玻璃变色的制造。
变色玻璃是利用电致变色材料特性由基础玻璃和电致变色材料构造的玻璃装置,可通过“电开关”实现对通过光、热的动态调节,也称为智能窗(Smart window) 或敏感窗。例如:
以WO3 为电变色层,Li-Polymer 为离子导电层和NiO为对电极的电致变色智能窗、电致变色汽车天窗、电致变色窗、电致变色头盔。
3.热致变色
热致变色是指一些化合物和混合物在受热或冷却时可见吸收光谱(颜色)发
生变化的性质;具有热致变色特性的物质称为热致变色材料,热致变色材料是由
变色物质加上其他辅助成分组成的功能材料,具有颜色随温度改变的特性。
热致变色可以分为可逆热致变色材料和不可逆热致变色材料。
可逆热致变色材料是指将材料加热到某一温度或温度区间时,其颜色发生明显变化,呈现出新的颜色,而当温度恢复到初温后,颜色也会随之复原,颜色变化具有可逆性。可逆热致变色材料意义差不多,不同的是温度恢复初温后,颜色也不会复原。
热致变色在生活中的应用:指示物体温度,对于高速飞行器、转动轴承、发动机叶片等处于工作状态时,通常无法用普通温度计或热电偶等方法测量其温度。为了测量这些特殊场合的温度,人们利用热致变色材料的颜色与温度的对应关系,制成了示温涂料等化学测温材料。
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