一种具有结构色梯度的彩色碳纤维热管理器件及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有结构色梯度的彩色碳纤维热管理器件及制备方法，属于彩色热管理器件领域。所述结构色碳纤维材料由碳纤维材料作为内芯以及包裹在碳纤维材料表面的具有梯度结构的一维光子晶体薄膜组成。本发明专利技术通过控制溅射薄膜层的厚度，得到蓝色、绿色、橙色、紫红色等不同颜色的结构色碳纤维布。碳纤维材料本身的柱状结构和溅射在碳纤维曲面上定向沉积的性质产生了光子结构的周期性梯度，从而提供了梯度变化的结构色。碳纤维材料良好的导电导热性，赋予其具有低电压驱动电加热特性，在2.5V低电压下，加热器温度就能达到52℃左右，且具有良好的循环热稳定性。因此，本发明专利技术可以在彩色柔性织物热管理领域有很大应用。

【技术实现步骤摘要】
一种具有结构色梯度的彩色碳纤维热管理器件及制备方法
本专利技术属于彩色热管理器件领域，涉及一种具有结构色梯度的彩色碳纤维热管理器件及制备方法，具体涉及一种结构色梯度的彩色碳纤维材料、基于彩色碳纤维热管理器件及制备方法。
技术介绍
近年来，柔性电驱动热管理器因其在可穿戴加热设备领域有着巨大应用潜力而受到广泛的关注。与化学能热管理器相比，电驱动热管理器具有长期焦耳加热稳定性和可回收性等优点。因此，许多不同的导电材料已被广泛用于柔性可穿戴热管理器件，包括金属纳米线及其混合纳米复合材料、石墨薄膜等，这些材料制备的柔性热管理器已经实现高温、快速热响应和均匀加热区域的优点，但是通常电阻很高，需要很高的驱动电压才能达到目标温度，这对人体是很危险的。因此，柔性可穿戴电热管理设备需要同时具有低驱动电压和良好的稳定性能。Jeong等报道了通过将纤维素纸浸入水碳纳米管中分散的加热器，该加热器在仅4v电压下达到68℃，但是填料层-基体界面附着力弱，限制了其实际应用(Journalofmaterialschemistry.A.2013-01-01；1(13):4177.)。Zhang等人在碳化后的织物表面用Ecoflex混合液封装，制备出了柔性低驱动电压的可穿戴热管理器件，在3.5V的低电压可以驱动加热器达到140℃(AdvElectronMater.2017-01-01；3(9):1700193.)。JiukJang利用静电纺丝制备银纳米线作为加热电极，再将银纳米线喷涂在PET薄膜上，制备出透明柔性可穿戴热管理器(NpgAsiaMater.2017-01-01；9(9):e432.)。但是，这些报道制备的电驱动热管理器颜色单一，基本都是黑色和无色，容易产生视觉疲劳，无法满足人类的需求，因此如何制备颜色稳定、靓丽的柔性低驱动电压的可穿戴热管理器件是个很大的挑战。
技术实现思路
为了解决可穿戴热管理器件的颜色单调、匮乏的问题，本专利技术提供了一种颜色靓丽具有结构色梯度的彩色碳纤维柔性热管理器件及其制备方法。本专利技术通过磁控溅射技术制备出颜色靓丽的结构色梯度碳纤维材料，将结构色梯度碳纤维材料、蓝牙模块、单片机控制芯片、温度传感器和液晶显示屏集成，制备出了可以通过手机无线控制温度的低电压驱动的可穿戴的具有结构色梯度的彩色碳纤维热管理器件。本专利技术提供了一种具有结构色梯度的彩色碳纤维材料，所述具有结构色梯度的彩色碳纤维材料包括若干碳纤维横纵交错形成的平织结构，以及以单根碳纤维作为内芯并在碳纤维表面包裹具有梯度厚度的一维光子晶体薄膜，所述梯度厚度为在同一平面内的单根碳纤维表面上包裹的一维光子晶体薄膜的厚度沿轴向由中间向两边逐渐减小。进一步地，上述技术方案中，所述具有梯度厚度的一维光子晶体薄膜由低折射率的金属氧化物和高折射率的金属氧化物由内到外层层交替堆叠形成的周期性分布的微结构组成，所述高折射率指折射率≥1.8，所述低折射率指折射率≤1.8。进一步地，上述技术方案中，所述碳纤维材料包括碳纤维布。进一步地，上述技术方案中，所述周期为2-5个周期，优选为3个周期。进一步地，上述技术方案中，所述的高折射率的金属氧化物为GeO2、TiO2、ZnO中的一种，优选为TiO2；低折射率的金属氧化物为MgO、SiO2、Al2O3中的一种，优选为Al2O3。进一步地，上述技术方案中，高折射率的金属氧化物的厚度为50-120nm，低折射率的金属氧化物的厚度为50-80nm。本专利技术还提供了所述结构色碳纤维材料的制备方法，包括如下步骤：(1)将碳纤维材料依次放入丙酮、乙醇中分别进行超声清洗，将清洗后的碳纤维材料进行干燥处理；(2)将经步骤(1)处理过的碳纤维材料放入浓硝酸中进行表面改性处理，在纤维表面引入-COOH、-OH等含氧基团；(3)将经步骤(2)处理过的碳纤维材料放入磁控溅射仪器的腔室中，进行低折射率的金属氧化物的溅射；(4)在步骤(3)的基础上继续溅射高折射率的金属氧化物；(5)步骤(3)-(4)为一个完整的周期，按照步骤(3)-(4)继续溅射2-5个周期，得到结构色梯度的彩色碳纤维材料。进一步地，上述技术方案中，步骤(1)所述超声清洗的时间为5min，清洗后采用烘箱进行干燥处理。进一步地，上述技术方案中，步骤(2)所述浓硝酸的浓度为60-70％，优选为65％，进行表面改性处理的温度为60-70℃，优选为65℃，时间为2h。进一步地，上述技术方案中，步骤(3)所述进行低折射率的金属氧化物的溅射的方法为：将磁控溅射腔室本底真空抽至6×10-3-6×10-4Pa，以99.99％的高纯氩气为工作气体，气流量为20sccm，工作气压为0.5Pa；低折射率的金属氧化物的陶瓷靶材与碳纤维材料之间的距离为10cm，样品架转速5r/min；采用射频电源溅射低折射率的金属氧化物的陶瓷靶材，溅射功率为80-100W，溅射时间80min，在碳纤维材料表面沉积一层低折射率氧化物薄膜，所述低折射率的金属氧化物的厚度为50-80nm。进一步地，上述技术方案中，步骤(4)所述溅射高折射率的金属氧化物的方法为：将磁控溅射腔室本底真空抽至6×10-3Pa-6×10-4Pa，以99.99％的高纯氩为工作气体，Ar气流量为20sccm，工作气压为0.5Pa；高折射率的金属氧化物的陶瓷靶材与碳纤维材料之间的距离为10cm，样品架转速5r/min；采用射频电源溅射高折射率的金属氧化物的陶瓷靶材，溅射功率为80-100W，溅射时间30-72min，在碳纤维材料表面沉积一层高折射率氧化物薄膜，所述高折射率的金属氧化物的厚度为50-120nm。本专利技术还提供了一种具有结构色梯度的彩色碳纤维热管理器件，包括具有结构色梯度的彩色碳纤维材料、蓝牙模块、单片机控制模块、温度传感模块和液晶显示模块集成，可以通过智能手机无线控制热管理器件的温度。根据上文的技术方案，优选的情况下，所选用的低折射率靶材为Al2O3陶瓷靶材，高折射率靶材为TiO2陶瓷靶材，纯度均为99.99％。本专利技术所述的结构色碳纤维材料颜色靓丽、色彩饱和度高，且机械性能稳定。碳纤维本身的柱状结构和磁控溅射技术在碳纤维材料曲面上定向沉积的性质产生了光子结构的周期性梯度，从而提供了结构色的梯度变化。本专利技术通过磁控溅射技术制备出颜色靓丽、稳定的具有结构色梯度的彩色碳纤维，将制备的彩色碳纤维材料与蓝牙模块、单片机控制、温度传感和液晶显示集成，制备出了可以通过手机无线控制温度、低电压驱动的可穿戴热管理器件。上述的彩色碳纤维材料是采用磁控溅射技术在其表面交替溅射具有不同折射率的金属氧化物薄膜制备得到具有梯度结构的一维光子晶体薄膜，从而使碳纤维材料呈现出颜色靓丽、稳定的结构色。通过控制溅射薄膜层的厚度，可以依次得到蓝色、绿色、橙色、紫红色等不同颜色的结构色碳纤维布。碳纤维材料本身的柱状结构和溅射在碳纤维曲面上定向沉积的性质产生了光子结构的周期性梯度，从而提供了梯度变化的结构色。碳纤维材料良好的导电导热性，赋予其具有低电压驱动电加热特性，在2.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有结构色梯度的彩色碳纤维材料，其特征在于，所述具有结构色梯度的彩色碳纤维材料包括若干碳纤维横纵交错形成的平织结构，以及以单根碳纤维作为内芯并在碳纤维表面包裹具有梯度厚度的一维光子晶体薄膜，所述梯度厚度为在同一平面内的单根碳纤维表面上包裹的一维光子晶体薄膜的厚度沿轴向由中间向两边逐渐减小。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有结构色梯度的彩色碳纤维材料，其特征在于，所述具有结构色梯度的彩色碳纤维材料包括若干碳纤维横纵交错形成的平织结构，以及以单根碳纤维作为内芯并在碳纤维表面包裹具有梯度厚度的一维光子晶体薄膜，所述梯度厚度为在同一平面内的单根碳纤维表面上包裹的一维光子晶体薄膜的厚度沿轴向由中间向两边逐渐减小。


2.根据权利要求1所示的具有结构色梯度的彩色碳纤维材料，其特征在于，所述具有梯度厚度的一维光子晶体薄膜由低折射率的金属氧化物和高折射率的金属氧化物由内到外层层交替堆叠形成的周期性分布的微结构组成，所述高折射率指折射率≥1.8，所述低折射率指折射率≤1.8。


3.根据权利要求1所述的具有结构色梯度的彩色碳纤维材料，其特征在于，所述碳纤维材料包括碳纤维布，所述周期为2-5个周期。


4.根据权利要求2所述的具有结构色梯度的彩色碳纤维材料，其特征在于，所述的高折射率的金属氧化物为GeO2、TiO2、ZnO中的一种，低折射率的金属氧化物为MgO、SiO2、Al2O3中的一种。


5.根据权利要求2所述的具有结构色梯度的彩色碳纤维材料，其特征在于，高折射率的金属氧化物的厚度为50-120nm，低折射率的金属氧化物的厚度为50-80nm。


6.权利要求1-5中任一项所述的具有结构色梯度的彩色碳纤维材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将碳纤维材料依次放入丙酮、乙醇中分别进行超声清洗，而后进行干燥；
(2)将经步骤(1)处理过的碳纤维材料放入浓硝酸中进行表面改性处理；
(3)将经步骤(2)处理过的碳纤维材料放入磁控溅射仪器的腔室中，进行低折射率的金属氧化物的溅射；
(4)在步骤(3)的基础上继续溅射高折射率的金属氧化物；
(5)步骤(3)-(...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛文斌，程洁，张淑芬，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21