[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明提供一种颜色亮丽、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。本发明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。

本发明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。

本发明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。