仿荷叶减反射自清洁复合涂层的设计制备与性能研究

发布时间：2021-10-07 21:35

　　不同基体材料（如金属基、硅基）表面光反射和污染物易堆积现象会造成军事装备隐身性能差、太阳能利用率低等不利影响,这将严重制约着材料的推广应用并限制材料综合性能提升。因此,对于功能化材料的研究具有重要意义和实际应用价值。通过对基体材料表面化学和表面微观结构的合理设计与调控,能够有效抑制光反射并改善自洁性能。然而,现有功能材料却存在功能单一、机械稳定性差、产业化应用难等问题。基于此,寻求功能最优化和高可靠性减反射自清洁材料成为当前研究的热点和难点。自然界中的生物因完美平衡了自身功能特性为新结构、新材料、新方法的探索提供了创新源泉。这种仿生途径已成为解决工程化难题的有效策略,具有重要的实用价值。本文从仿生学角度出发,以荷叶为生物原型,重点研究鲜荷叶和干荷叶腹面和背面的光学性能。利用光纤光谱仪和接触角测量仪对荷叶表面反射光谱和润湿性进行测试分析,发现荷叶表面具有优异的减反射特性（λ=450-950 nm）和超疏水特性,同时荷叶腹面还具有良好的自清洁特性。利用扫描电子显微镜和超景深显微镜对荷叶表面结构特征进行表征观察,并对其表面化学成分进行测试分析。结合仿生结构特征尺寸参数,建立了三维可视化减反射... 

【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

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光线与基底表面(A)单层AR薄膜和(B)多层AR薄膜相互作用的示意图

吉林大学博士学位论文8高光的总透过率和漫射光散射。一般来说，要获得最大的透光率和最小的光衍射及散射需要满足几个要求[22]：图1.2(A)宏观结构产生的光反射；(B)光线透过微结构阵列，产生多重内部反射；(C)光与纳米结构阵列相互作用；(D)逐渐变化的RI使光线弯曲。(1)结构的高度至少为最大波长的40％：2h=0.4(1-20)(2)当光线垂直入射时，结构的周期必须小于最小波长与材料RI的比值：1n(1-21)(3)当光线斜入射或宽角度入射时，结构的周期必须小于最小波长的二分之一与材料RI的比值：12n(1-22)(4)如果使用高RI的基底材料(如硅的RI为3.5)，RI应满足非线性增加。相反，如果使用塑料或玻璃(RI为1.5)，RI必须线性增加。除了上述参数影响着AR的性能外，结构的占空比对降低反射也起到重要作用。占空比f表示单个纳米或亚波长结构的底面直径与结构周期之比。它主要影响光栅层的等效折射率，表示光栅反射率和透射率的偏差。占空比对单个AR结构设计参数的影响需满足以下要求：一方面，对于具有一定周期的结构而言，占空比过大或过小都不利于结构的制备。如果结构的占空比过大，将导致纳米或亚波长结构阵列的密度增大，进而形成多孔膜。在这种情况下，它相当于一个单层

第1章绪论11而形成了固-液-气三相接触表面，这种现象也被称为“气垫效应”(图1.3C)。此时，表观接触角可以表示为：1122cos=cos+coscff(1-28)其中，θc为表观接触角；f1和f2分别表示为液-固和气-液界面的面积分数；1和2分别表示为液-固和气-液界面的本征接触角。如果f表示在液-固界面被液体润湿的固体表面分数，则液-气界面的面积分数可表示为1-f。当气-液界面的接触角θ2=180°时，方程(1-28)可表示为：()°coscos1cos180=cos1c=f+ff+f(1-29)图1.3(A)Young状态下的液滴；(B)Wenzel状态下的液滴；(C)Cassie-Baxter状态下的液滴[17]。(2)光催化作用诱导的自清洁特性光催化涂层通过吸收自然界中的太阳能辐射，特别是紫外线，来分解涂层表面有机污染物或产生光诱导亲水性，以保持涂层表面的超亲水特性，进而实现自清洁效果。TiO2是一种高效的光催化材料，被广泛应用于超亲水自清洁材料的制备[24,25]。TiO2涂层能够实现超亲水自清洁特性主要体现如下[26]：(1)TiO2未经光照射前，由于自身结构特征，表现为疏水性；当经紫外光照射时，会转变为亲水性和亲油性。TiO2的超亲水性使其在固体表面形成一层水膜，在自然力量的作用下，可以使污染物脱离表面，达到自洁的目的。(2)TiO2在紫外光诱导下，会通过化学反应将光能转变为化学能，来分解表面残留的水和其他有机污染物。它们会以气体形式脱离表面，而残留下来的物质又会被水膜所带走，实现自清洁效果。此外，将光致超亲水TiO2薄膜长时间放置于黑暗中后，其表面又恢复为疏水状态，表现出亲疏水可逆转变特性。


本文编号：3422814