电致变色材料的应用

电致变色材料的应用

摘要:电致变色材料作为一种高科技产品在现代国防科技上的地位越来越重,因此在本文中主要介绍电致变色材料在红外发射器件、智能电致变色涂层、电色储存器件、智能电致变色织物的应用。从而使人们更多的对电致变色材料有一个更深的认识。

关键词:电致变色材料导电聚合物应用性能

电致变色(Electrochromic,EC)是一种光学性能可变换的变色,一般指材料在外电场或电流作用下发生可逆的色彩变化,直观地表现为材料的颜色和透明度发生可逆变化的过程,这种变化是连续可调的,即材料的透过率、吸收率、反射率三者比例关系可调[1]。随着科技的发展,电致变色材料将会发挥越来越大的作用,特变是制备大面积、可动态变化(如快速切换响应、可自动智能控制)的电致变色材料和红外发射器件在军工、航空航天、工业检测与监控、医疗卫生、核反应堆保护、石油化工、智能机器人等领域广泛应用[2]。

1 红外发射器件的应用

导电高分子(CPs)电致变色材料,由于对中红外和远红外具有固有的红外发射特性,可制备成新型红外发射器件(IR emittance devices)比半导体红外发射材料(如WO3)和器件具有更多优异性能。目前,CPs 电致变色材料已成为红外发射率变化和红外反射率变化最大的材料,而且具有分子结构可以设计、制造成本低、发射红外频谱宽、加工成

型工艺方便等显著优点,因而在未来航天航空红外控制和军事红外伪装、工业红外检测与监控、医疗卫生等领域具有十分广阔的应用前景。美国陆军采用导电高分子电致变色材料应用在士兵服装上,使敌方在夜间不能探测发现;同时,根据舰船、坦克、车辆在不同环境下的伪装要求而采用导电高分子电致变色材料,使武器装备表面涂层既呈现不同的可见光迷彩伪装颜色,同时也可利用红外发射率不同而达到夜间和白天红外伪装的目的;美国空军将CPs电致变色材料作为热敏红外控制器件应用在微型间谍通讯卫星[3];美国军方已将CPs电致变色材料成功应用在对敌方红外制导导弹的红外发射干扰器中。

2 智能电致变色涂层的应用[4]

智能变色涂层是指在收到外部刺激时,能够按照人们希望可逆的发生颜色或光强的变化的涂层(简称变色涂层)。智能玻璃涂层是电致变色涂层最典型的应用。在外加电压作用下,智能玻璃可以根据光强度自动调节涂层对光的透明度或放射度以及对热的透射率,可以达到冬暖夏凉的效果。电致变色涂层还被用应在机动车头盔和汽车前窗玻璃上,使得机动车玻璃对于不同强度的光线有不同的透射率,保证驾驶安全。另外,用在“电子纸张”、“电子显示印刷”等的显示技术领域与液晶等显示技术相比,电致变色涂层属于有机发光显示,具有超轻、超薄、高亮度、广视角、自发光响应速度快(是液晶的1000倍)、高清晰、低温特性优良、低耗能、柔软显示等众多优点,被认为是最可行的下一代显示技术。

3 电色储存器件

科学界已研制出多种可着不同颜色的电色材料,因此利用电致变色材料多颜色变化的性质,以及不同颜色的组合(如将三基色材料以不同比例组合)可以用来记录彩色连续的信息,类似于彩色照片,同时有擦除和改写的性能。例如聚苯胺的衍生物可实现三基色显示,因此可设想用该聚苯胺衍生物电色材料记录彩色连续信息。由于该期间具有对比度高,色彩丰富,可记忆存储,轻巧,厚度薄,容易与微电子电路兼容等诸多优点,促使其将在电子显示和存储领域发挥越来越大的作用。

4 智能电致变色织物的应用[5]

智能纺织品把高科技传感器或敏感元件与传统结构材料和功能材料结合在一起,可在现有纤维织物的改性、功能化、智能化基础上进行组合设计。导电聚合物电致变色织物是指在电场的作用下能改变颜色的织物。目前,它的研究尚处于初始阶段。主要有两条研究思路:一是利用导电聚合物薄膜组装成大面积的电致变色器件,薄膜器件直接用来制作服装或军事设备的外表面以达到军事伪装的效果;二是直接研究制造出较长的柔性电致变色聚合物纤维器件,然后纺织成织物。对于前者导电聚合物基电致变色织物的研究,因为导电聚合物电致变色材料研究的深入而引起人们的极大关注。通常把导电聚合物做成薄膜,组装成电致变色器件来研究其电致变色性能。导电聚合物基

电致变色器件原理上由四层材料组成:透明电极‖导电聚合物‖聚合物固体电解质‖对电极,目前的研究主要集中在将对电极层由导电织物替代来制备电致变色织物。随着掺杂和脱掺杂反应的进行,则可观察到导电高分子膜的颜色变化。电致变色器件中最重要的组成部分为导电聚合物膜,变色范围、色彩对比度、着色效率、显色的响应时间以及光记忆是评价一种导电聚合物电致变色材料的重要参数。其中科学家们致力于全色系电致变色材料的研究,所采用的方法包括将不同的发色体系引入聚合物分子结构或者将不同的发色体系物理复合,由此所研究的织物具有柔性、质轻、可穿着的特点,可用于军事伪装,但其颜色变化则较为单调。对于后者研究,美国康涅狄格大学聚合体和有机化学教授格里高利-索特辛已经制备出像尼龙一样的电致变色柔性纤维丝,长度可达到1000m左右。他是通过化学反应,引入碳、硫原子的原子团氧化剂从而实现电致变色性能的。已经实现的电致变色有橙色变蓝色和红色变蓝色,目标是实现整个可见光谱范围的颜色变化。

参考文献

[1]陈杰,朱振才,王汝笠,等.WO3薄膜的电致变色特性研究[J].光学学报,1996,16(l0):1475～1478.

[2]Chandrasekhar P.Conducting polymers, fundamentals and applications: a practical approach [M].The Netherlands: Kluwer,Dordrecht,1999.

[3]Meskers S C J,Van.Duren J K J, Janssen R A J.Thermally induced transient absorption of light by poly(3,4-ethene-dioxythiophene):poly(styrene sulfonic acid) (PEDOT:PSS) film: a way to prob charge-carrier thermalization processes [J].Adv.Funct.Mater.2003,13(10):805～810.

[4]Rocco A M,Marco-A Dz, PaoLiZnellia,et al.An electrochromic device combinig polypyrrole and WO3[J].Electrochem Acta.1996.41(18):2817～2827.

[5]钱晶.基于导电聚合物的电致变色织物的研制[D].北京:北京服装学院,2008.