不同基體材料（如金屬基、硅基）表面光反射和污染物易堆積現(xiàn)象會造成軍事裝備隱身性能差、太陽能利用率低等不利影響,這將嚴(yán)重制約著材料的推廣應(yīng)用并限制材料綜合性能提升。因此,對于功能化材料的研究具有重要意義和實際應(yīng)用價值。通過對基體材料表面化學(xué)和表面微觀結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計與調(diào)控,能夠有效抑制光反射并改善自潔性能。然而,現(xiàn)有功能材料卻存在功能單一、機(jī)械穩(wěn)定性差、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用難等問題�；诖�,尋求功能最優(yōu)化和高可靠性減反射自清潔材料成為當(dāng)前研究的熱點和難點。自然界中的生物因完美平衡了自身功能特性為新結(jié)構(gòu)、新材料、新方法的探索提供了創(chuàng)新源泉。這種仿生途徑已成為解決工程化難題的有效策略,具有重要的實用價值。本文從仿生學(xué)角度出發(fā),以荷葉為生物原型,重點研究鮮荷葉和干荷葉腹面和背面的光學(xué)性能。利用光纖光譜儀和接觸角測量儀對荷葉表面反射光譜和潤濕性進(jìn)行測試分析,發(fā)現(xiàn)荷葉表面具有優(yōu)異的減反射特性（λ=450-950 nm）和超疏水特性,同時荷葉腹面還具有良好的自清潔特性。利用掃描電子顯微鏡和超景深顯微鏡對荷葉表面結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行表征觀察,并對其表面化學(xué)成分進(jìn)行測試分析。結(jié)合仿生結(jié)構(gòu)特征尺寸參數(shù),建立了三維可視化減反射... 

【文章來源】：吉林大學(xué)吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

光線與基底表面(A)單層AR薄膜和(B)多層AR薄膜相互作用的示意圖

吉林大學(xué)博士學(xué)位論文8高光的總透過率和漫射光散射。一般來說，要獲得最大的透光率和最小的光衍射及散射需要滿足幾個要求[22]：圖1.2(A)宏觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的光反射；(B)光線透過微結(jié)構(gòu)陣列，產(chǎn)生多重內(nèi)部反射；(C)光與納米結(jié)構(gòu)陣列相互作用；(D)逐漸變化的RI使光線彎曲。(1)結(jié)構(gòu)的高度至少為最大波長的40％：2h=0.4(1-20)(2)當(dāng)光線垂直入射時，結(jié)構(gòu)的周期必須小于最小波長與材料RI的比值：1n(1-21)(3)當(dāng)光線斜入射或?qū)捊嵌热肷鋾r，結(jié)構(gòu)的周期必須小于最小波長的二分之一與材料RI的比值：12n(1-22)(4)如果使用高RI的基底材料(如硅的RI為3.5)，RI應(yīng)滿足非線性增加。相反，如果使用塑料或玻璃(RI為1.5)，RI必須線性增加。除了上述參數(shù)影響著AR的性能外，結(jié)構(gòu)的占空比對降低反射也起到重要作用。占空比f表示單個納米或亞波長結(jié)構(gòu)的底面直徑與結(jié)構(gòu)周期之比。它主要影響光柵層的等效折射率，表示光柵反射率和透射率的偏差。占空比對單個AR結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的影響需滿足以下要求：一方面，對于具有一定周期的結(jié)構(gòu)而言，占空比過大或過小都不利于結(jié)構(gòu)的制備。如果結(jié)構(gòu)的占空比過大，將導(dǎo)致納米或亞波長結(jié)構(gòu)陣列的密度增大，進(jìn)而形成多孔膜。在這種情況下，它相當(dāng)于一個單層

第1章緒論11而形成了固-液-氣三相接觸表面，這種現(xiàn)象也被稱為“氣墊效應(yīng)”(圖1.3C)。此時，表觀接觸角可以表示為：1122cos=cos+coscff(1-28)其中，θc為表觀接觸角；f1和f2分別表示為液-固和氣-液界面的面積分?jǐn)?shù)；1和2分別表示為液-固和氣-液界面的本征接觸角。如果f表示在液-固界面被液體潤濕的固體表面分?jǐn)?shù)，則液-氣界面的面積分?jǐn)?shù)可表示為1-f。當(dāng)氣-液界面的接觸角θ2=180°時，方程(1-28)可表示為：()°coscos1cos180=cos1c=f+ff+f(1-29)圖1.3(A)Young狀態(tài)下的液滴；(B)Wenzel狀態(tài)下的液滴；(C)Cassie-Baxter狀態(tài)下的液滴[17]。(2)光催化作用誘導(dǎo)的自清潔特性光催化涂層通過吸收自然界中的太陽能輻射，特別是紫外線，來分解涂層表面有機(jī)污染物或產(chǎn)生光誘導(dǎo)親水性，以保持涂層表面的超親水特性，進(jìn)而實現(xiàn)自清潔效果。TiO2是一種高效的光催化材料，被廣泛應(yīng)用于超親水自清潔材料的制備[24,25]。TiO2涂層能夠?qū)崿F(xiàn)超親水自清潔特性主要體現(xiàn)如下[26]：(1)TiO2未經(jīng)光照射前，由于自身結(jié)構(gòu)特征，表現(xiàn)為疏水性；當(dāng)經(jīng)紫外光照射時，會轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性和親油性。TiO2的超親水性使其在固體表面形成一層水膜，在自然力量的作用下，可以使污染物脫離表面，達(dá)到自潔的目的。(2)TiO2在紫外光誘導(dǎo)下，會通過化學(xué)反應(yīng)將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，來分解表面殘留的水和其他有機(jī)污染物。它們會以氣體形式脫離表面，而殘留下來的物質(zhì)又會被水膜所帶走，實現(xiàn)自清潔效果。此外，將光致超親水TiO2薄膜長時間放置于黑暗中后，其表面又恢復(fù)為疏水狀態(tài)，表現(xiàn)出親疏水可逆轉(zhuǎn)變特性。


本文編號：3422814