一种基于一维光子晶体的应力应变比色传感膜及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于一维光子晶体的应力应变比色传感膜及制备方法，具体属于传感新材料制备领域。一种基于一维光子晶体的应力应变比色传感膜，所述传感膜由黑色弹性基底和组装在所述基底上的弹性一维光子晶体彩色膜组成，其中，所述一维光子晶体彩色膜是由弹性体和与弹性体具有折射率差的材料在基底上交替层层组装而成。本发明专利技术所述的一维光子晶体的应力应变比色传感膜的反射峰位移与所受应力和所产生的应变的数值呈线性关系，可以准确对材料所受应力和应变进行识别，同时实现可视化，且机械形变可逆性和循环变色稳定性良好。此传感膜在应力应变监测方面具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于一维光子晶体的应力应变比色传感膜及制备方法
本专利技术涉及一种基于一维光子晶体的应力应变比色传感膜及制备方法，具体属于传感新材料制备领域。
技术介绍
应力应变的信号存在于人类社会的各个角落，影响着社会生产和安全，古人云千里之堤毁于蚁穴，应力和应变的监测在精密机械加工、测量飞行器载荷和土木工程结构健康监测中有着至关重要的意义。比色传感器是将人体无法直观感知的信号转化为颜色信号的一类信息检测设备，如今随着人类社会的发展，材料向着自动化和智能化发展，比色传感材料以其简便的操作方式、直观的信息检测效果在检测传感领域有着广阔的应用前景。光子晶体是具有光子禁带特性的周期性电介质结构材料，当光子禁带落于可见光范围会产生人眼可辨的颜色。当光子晶体组成介质具有弹性形变性能，受到外界应力作用导致晶格间距或折射率发生变化，从而引起光子晶体颜色变化，可以实现对应力和应变的可视化响应。一维光子晶体是不同折射率的两种介质在微观上沿一个方向交替堆叠组成的具有周期性结构的物质，它具有结构简单、组装便捷的优点，通过组装材料的设计可以构筑性能优异的应力应变传感膜。
技术实现思路
本专利技术提供一种颜色亮丽、灵敏度较高的有机/无机复合一维光子晶体应力应变传感膜。本专利技术所述传感膜在黑色弹性基底上组装一维光子晶体柔性膜，光子晶体提供肉眼可辨的颜色，利用黑色基底增强颜色饱和度，当传感膜受到应力作用时，基底和一维光子晶体同时产生弹性形变，薄膜层厚发生有序变化，导致光子晶体晶格间距或有效折射率改变，传感膜颜色迅速变化，通过颜色变化程度可以监测应力应变大小，实现可视化传感。一种基于一维光子晶体的应力应变比色传感膜，所述传感膜由黑色弹性基底和组装在所述基底上的弹性一维光子晶体彩色膜组成，其中，所述一维光子晶体彩色膜是由弹性体和与弹性体具有折射率差的材料在基底上交替层层组装而成。本专利技术所述一维光子晶体彩色膜由弹性体和与弹性体具有折射率差的材料在基底上交替层层组装而成，每一个组装周期由一层弹性体和一层与弹性体具有折射率差的材料构成。本专利技术所述一维光子晶体彩色膜的每一个组装周期由一层高折射率层和一层低折射率层构成。所述一维光子晶体彩色膜可包括若干组装周期。上述技术方案中，所述弹性体为聚异戊二烯、聚丁二烯、聚氯丁二烯、苯乙烯-丁二烯共聚物、乙烯-丙烯共聚物、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯或聚酰胺类材料。上述技术方案中，所述用于组装所述一维光子晶体彩色膜的与弹性体具有折射率差的材料为二氧化钛、二氧化锆、硫化锌、氧化锌、氧化铝、二氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯或聚双烯丙基二甘醇碳酸酯，或为上述材料与弹性体的混合物。上述技术方案中，所述黑色弹性基底由黑色物质和弹性体制得，其中，所述黑色物质为纳米炭黑、碳纳米管或聚多巴胺；所述弹性体为聚异戊二烯、聚丁二烯、聚氯丁二烯、苯乙烯-丁二烯共聚物、乙烯-丙烯共聚物、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯或聚酰胺类材料。上述技术方案中，所述黑色弹性基底的厚度大于1μm。上述技术方案中，所述与弹性体具有折射率差材料与弹性体混合物中，弹性体质量分数为10～90％。上述技术方案中，所述一维光子晶体彩色膜每一个组装周期的光学厚度之和为200～400nm。本专利技术的另一目的是提供上述基于一维光子晶体的应力应变比色传感膜的制备方法一种基于一维光子晶体的应力应变比色传感膜的制备方法，工艺步骤如下：①制备黑色弹性体基底；②制备具有折射率差的两种一维光子晶体组装溶液或分散液；③将所述步骤②所得的两种溶液通过交替层层组装方法在基底上进行组装，加热干燥，控制光学厚度；所述制备方法中加热干燥条件为30～100℃加热3～180分钟。上述技术方案中，所述黑色弹性体基底按下述方法制得：所述黑色弹性体基底按下述方法制得：将弹性体与溶剂质量比1：1混合，超声12h以内得混合液；再加入混合液质量0.1～10％的黑色物质超声12h以内，后将混合物离心处理后取上清液，于载玻片上涂布，待薄膜固化后既得。进一步地，所述用于与弹性体混合的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、正己烷或四氢呋喃。上述技术方案中，所述步骤②制备的溶液或分散液质量分数为0.5％～20％。优选地，本专利技术所述基于一维光子晶体的应力应变比色传感膜的组装方法，工艺步骤如下：①以厚度大于1μm的黑色弹性基底作为一维光子晶体组装基底；②制备具有折射率差的两种一维光子晶体组装溶液或分散液；③将所述步骤②所得的溶液或分散液采用旋涂或浸涂的方法在基底上进行交替层层组装，加热干燥，控制光学厚度；所述制备方法中加热干燥条件为30～100℃加热10～180分钟，每一个组装周期高折射率层与低折射率层光学厚度之和控制在200～400nm。本专利技术的有益效果为：本专利技术所述的一维光子晶体的应力应变比色传感膜的反射峰位移与所受应力和所产生的应变的数值呈线性关系，可以准确对材料所受应力和应变进行识别，同时实现可视化，且机械形变可逆性和循环变色稳定性良好。此传感膜在应力应变监测方面具有良好的应用前景。附图说明图1为实施例82所得的一维光子晶体的扫描电镜截面图；图2为实施例82所得一维光子晶体比色传感膜对拉力响应的反射峰变化图。如图所示，随着应力增加，传感膜的反射峰逐渐蓝移。具体实施方式下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本专利技术，但不以任何方式限制本专利技术。下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。实施例1称取5g聚氨酯与N,N-二甲基甲酰胺体积比1：1混合，超声5min使其混合均匀，向聚氨酯与N,N-二甲基甲酰胺混合物中搅拌加入0.05g纳米炭黑，超声10min使其混合均匀，后将混合物以5000r/min离心5min，取1g上清液涂布于2.5×2.5cm的玻璃片上，以80℃在真空干燥箱内处理10h制得黑色弹性体膜作为一维光子晶体组装基底。将聚异戊二烯分散液稀释后超声10min得到13wt％和20wt％的聚异戊二烯分散液。称取10g的20wt％聚异戊二烯分散液加入2g二氧化钛粉末超声10min得到高折射率混合物分散液；将13wt％的聚异戊二烯分散液和高折射率混合物于基底上交替旋涂组装三个周期，每个周期的光学厚度为290nm，每组装一层后需于40℃温度下加热干燥15min，即可得到基于一维光子晶体的应力应变比色传感膜。实施例2～9掺杂纳米炭黑的弹性基底和一维光子晶体中弹性体层的制备方法同实施例1，但在聚合物分散液中分别混合二氧化锆、硫化锌、氧化锌、氧化铝、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯和聚双烯丙基二甘醇碳酸酯粉末制备高折射率弹性体层。实施例10称取5g聚氨酯与N,N-二甲基甲酰胺体积比1：1混合，超声5min使其混合均匀，向聚氨酯与N,N-二甲基甲酰胺混合物中搅拌加入0.05g纳米炭黑，超声本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于一维光子晶体的应力应变比色传感膜，其特征在于：所述传感膜由黑色弹性基底和组装在所述基底上的弹性一维光子晶体彩色膜组成，其中，/n所述一维光子晶体彩色膜是由弹性体和与弹性体具有折射率差的材料在基底上交替层层组装而成。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于一维光子晶体的应力应变比色传感膜，其特征在于：所述传感膜由黑色弹性基底和组装在所述基底上的弹性一维光子晶体彩色膜组成，其中，
所述一维光子晶体彩色膜是由弹性体和与弹性体具有折射率差的材料在基底上交替层层组装而成。


2.根据权利要求1所述的传感膜，其特征在于：所述弹性体为聚异戊二烯、聚丁二烯、聚氯丁二烯、苯乙烯-丁二烯共聚物、乙烯-丙烯共聚物、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯或聚酰胺类材料。


3.根据权利要求1所述的传感膜，其特征在于：所述黑色弹性基底由黑色物质和弹性体制得，其中，所述黑色物质为纳米炭黑、碳纳米管或聚多巴胺；所述弹性体为聚异戊二烯、聚丁二烯、聚氯丁二烯、苯乙烯-丁二烯共聚物、乙烯-丙烯共聚物、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯或聚酰胺类材料。


4.根据权利要求1～3任一项所述的传感膜，其特征在于：用于组装所述一维光子晶体彩色膜的与弹性体具有折射率差的材料为二氧化钛、二氧化锆、硫化锌、氧化锌、氧化铝、二氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯或聚双烯丙基二甘醇碳酸酯...

【专利技术属性】
技术研发人员：马威，林瑞程，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