【摘 要】
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红外热辐射是一种生活中无处不在的自然现象,以电磁波的形式传播并承载热量传递的功能。自然界中很多生物(如撒哈拉银蚁、火甲虫)利用自身对红外辐射的调节能力,起到通讯、侦察、伪装、热管理的功能。受此启发,科学家发展了红外智能材料,即利用外场(电、磁、光、机械力等)调控材料的红外波段的光学性能(如发射率、反射率、透过率),在智能窗、热控航天器、智能降温服装等领域具有广阔的应用前景。目前红外智能材料主要依赖
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红外热辐射是一种生活中无处不在的自然现象,以电磁波的形式传播并承载热量传递的功能。自然界中很多生物(如撒哈拉银蚁、火甲虫)利用自身对红外辐射的调节能力,起到通讯、侦察、伪装、热管理的功能。受此启发,科学家发展了红外智能材料,即利用外场(电、磁、光、机械力等)调控材料的红外波段的光学性能(如发射率、反射率、透过率),在智能窗、热控航天器、智能降温服装等领域具有广阔的应用前景。目前红外智能材料主要依赖于材料本身在外场调控下基于光敏特性、相变等反应来改变其红外特性,其调控范围依然有限。本研究针对红外发射率和红外透过率调控两个方面,具体研究对象为图案化电致变发射率材料聚苯胺及镀银尼龙织物,基于智能材料的形状变化来提高其红外调控能力。聚苯胺作为目前研究较多的电致变发射率材料,具有响应速率快、高化学稳定性等优点。然而,较小的发射率调制范围在一定程度上限制了其应用。本文通过计时电流法沉积结合激光刻蚀制备出图案化电致变色聚苯胺薄膜,并对其形貌、结构及性能进行了表征。实验发现,制备的聚苯胺薄膜氧化态与还原态的发射率分别为0.87和0.53,发射率变化值为0.34,同时具有快的响应速率及良好的循环稳定性。为了进一步提高聚苯胺薄膜的发射率调制范围,通过施加应力使聚苯胺薄膜发生形变。不同发射率区域的有效辐射面积会随观测方向与形变方式的变化而变化,在不改变组成材料本征发射率的前提下实现对薄膜整体发射率的大范围调控,变化值可达0.57。通过将聚苯胺薄膜与形状记忆镍钛合金丝复合,制备出自主形变的双层变发射率聚苯胺薄膜。该薄膜可在常温下变为任意形状,在超过50℃环境中恢复为初始形状。在70℃环境中15s内即可完成折叠态到平铺态的回复,30s内完成低发射率到高发射率的转变,发射率变化值为0.49。针对传统织物具有高发射率严重抑制人体的热量散失的问题,通过化学镀银法在传统尼龙纤维束全表面镀上均匀的银涂层,得到Ag@PA纤维束。通过实验和模拟验证了Ag@PA纤维束比PA纤维束具有更高的红外反射率和更低的红外发射率。Ag@PA纤维束针织物由于表面镀银层的多级反射,其红外透过率提高了150%。与传统PA纺织品相比,室内环境中使皮肤降温1.1℃,实现人体“被动降温”。此外,不同的拉伸方式及施加应力的大小可以改变Ag@PA织物的空隙尺寸,进而调控织物红外透过率。其中单向拉伸会使织物间空隙尺寸减小,双向拉伸会使织物间空隙尺寸增大,当拉伸率为15%时,前者红外透过的红外能量由4.33 m W/cm~2·sr降低至4.17 m W/cm~2·sr;后者则升至4.57 m W/cm~2·sr。综上所述,本论文中设计并制备的变发射率聚苯胺薄膜及全表面镀银织物可以对多重外场刺激(包括温度、电流、应力)做出响应,调控自身红外性能,使其适用于多种复杂环境。
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