一種基於銀樹枝狀結構的紅外透光三明治結構複合材料的製作方法

2023-07-16 08:52:21

專利名稱：一種基於銀樹枝狀結構的紅外透光三明治結構複合材料的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種紅外透光複合材料及其製備方法，特別涉及一種基於無序排列納米分枝 銀樹枝狀結構單元和聚乙烯醇(PVA)薄膜組成的在紅外波段具有多頻帶透射行為的三明治結 構複合材料及其製備方法。
背景技術：
有序金屬納米結構由於具有獨特的光、電、磁、催化、傳感等特性，從製備、性能到應 用均吸引了大量的研究和關注。但是，由於這種結構的製備成本高、製備工藝複雜難控，而 且很難大面積獲得，從而極大地限制了這種有序金屬納米結構材料在各個領域的廣泛應用。 無序金屬納米結構克服了有序結構在製備上存在的缺陷，用無序結構來實現有序結構的功能 特性給金屬納米結構材料的應用帶來了極大的方便。
樹枝狀結構是一種自然界普遍存在的分形結構，高度枝化的金屬樹枝狀結構由於具有自 相似的多級分枝也表現出獨特的光、電、磁等特性。目前，金屬樹枝狀結構可以通過"自上 而下"的刻蝕方法獲得，也可以通過模板法、電化學法、外場輔助合成法等"自下而上"組 裝的方法獲得。前一種方法製備成本高，而且製備結構的尺度小到一定程度後無法克服光刻 極限，而通過後一種方法製備的金屬樹枝狀結構大都分散在溶液體系中，很難從中分離出來， 更不易將其組裝成應用器件，即使分離出來，也極易因團聚而破壞其結構和形貌。在透明導
電玻璃基底上製備無序排列的二維金屬樹枝狀結構單元，避免了將其從溶液中分離出來的困 難，同時也由於製備的樹枝狀結構與基底緊密結合，避免了因團聚引起的結構和形貌的破壞， 而且可以非常方面地製備或組裝成複合材料或應用器件。

發明內容
本發明目的是提供一種基於無序排列的納米分枝銀樹枝狀結構和PVA薄膜的三明治結構 紅外透光複合材料及其製備方法。這種複合材料在紅外波段1.2—2.8um範圍內具有多頻帶 透射行為，透射頻帶的帶寬與樹枝狀結構單元的尺寸及其分布有關。其製備方法是以透明的 氧化銦錫導電玻璃為基底，採用化學電沉積法製備納米分枝銀樹枝狀結構，再在製備的銀樹 枝狀結構表面塗覆PVA薄膜，然後與未塗覆PVA薄膜的銀樹枝狀結構組裝成三明治複合材 料。(製備過程如附圖1所示)。
本發明中的納米分枝銀樹枝狀結構的製備採用平板電極化學電沉積法，通過調節沉積電 壓，可以在導電玻璃基底上獲得結構單元直徑為0.5—6. 5ura，分布密度為5.76X 104—4.58XlS個/mra2，佔空比為47.6%~61.9%的多級納米分枝銀樹枝狀結構。
PVA薄膜的製備是採用自行設計的液面下降塗膜裝置，通過控制塗液漏出的速度來控制 液面的下降速度，進而控制塗覆在銀樹枝狀結構表面PVA薄膜的厚度為120—500nm。
三明治結構複合材料的製備，是以在同一沉積電壓下製備的塗覆和未塗覆PVA薄膜的兩 個銀樹枝狀結構樣品為原料，以a-氰基丙烯酸乙酯為膠粘劑，將兩個樣品對疊粘合後用矽 酮玻璃膠密封疊縫所得。這種複合材料在紅外波段1. 2—2.8Mm的波長範圍內具有多頻帶透射 特性。


圖1三明治結構複合材料製備過程示意圖
圖2化學電沉積銀樹枝狀結構實驗裝置示意圖
圖3液面下降法塗膜裝置示意圖
圖4 二維準周期銀樹枝狀結構及其塗膜後的橫截面掃描電鏡照片 A銀樹枝狀結構的整體形貌 B —個銀樹枝狀結構單元 C 一個主枝
D銀樹枝狀結構塗覆PVA薄膜後的橫截面 圖5三明治結構複合材料的紅外透射圖譜
A複合材料由0.4V下製備的銀樹枝狀結構組成 B複合材料由0.6V下製備的銀樹枝狀結構組成 C複合材料由0.8V下製備的銀樹枝狀結構組成
具體實施例方式
1.銀樹枝狀結構的製備採用化學電沉積法，以氧化銦錫(ITO)透明導電玻璃為陰極，
以表面平整、純度為99.9%的銀片為陽極，兩平板電極之間的距離為0.6mm。濃度為0.589mM 的AgN03超純水溶液為電解液，在直流穩壓0.4—0.8V下通電1分鐘，即可在導電玻璃基底 上得到單元直徑為0.5—6.5pm、分布密度為5.76 X 104—4.58 X 105個/1111112的納米分枝銀樹枝狀 結構。2. PVA薄膜的製備利用垂直提拉塗膜的原理，採用自行設計的液面下降塗膜裝置，以 3。/c(w/v)的PVA超純水溶液為塗液，在室溫25。C下，將沉積有銀樹枝狀結構的樣品懸掛在塗 液中，通過放液閥調節塗液下降的速度為0.1"0.4mm/分鐘，待樣品完全漏出塗液後，關閉放 液閥，將樣品取出在無塵環境下自然乾燥，然後用蘸水棉球將樣品上未沉積銀樹枝狀結構的 一面所塗覆的PVA薄膜拭去。通過調節液面下降速度，可在銀樹枝狀結構的表面塗覆一層厚 度約為120—500nm的透明PVA薄膜。
3. 三明治複合材料的組裝將塗覆PVA薄膜的樣品向上水平放置，在其空白的一端(未 沉積銀樹枝狀結構和未塗覆PVA薄膜的一端，即電沉積時與電源連接和塗膜時用來固定樣品 的一端。)滴加少許a-氰基丙烯酸乙酯，將另一個相同電沉積條件下製備的未塗膜的樣品按 圖l③所示與其疊合，再在其上面壓兩層載玻片，30分鐘後a-氰基丙烯酸乙酯完全凝固， 然後用矽酮玻璃膠密封疊縫，即得到"銀樹枝狀結構-PVA薄膜-銀樹枝狀結構"的三明治復 合材料。
4. 三明治複合材料的紅外透光性能測試將同一沉積電壓下製備的塗覆和未塗覆PVA 薄膜的銀樹枝狀結構樣品先進行紅外波段1.2—2.8nm波長範圍內的透射測試，然後將其組 裝為三明治複合材料，再進行同樣的透射測試。
本發明的實現過程和材料的性能由實施例和

實施例一在製備銀樹枝狀結構的過程中，採用化學電沉積法，將方阻為17Q的平板導 電玻璃按8mmX4mm的規格切割後清洗乾淨，作為陰極。與陰極相同尺寸規格、表面平整的 銀片(純度為99.9%)作為陽極。兩平板電極按附圖2所示的裝置由兩塊厚度為0.6mm的聚 氯乙烯片隔開，使兩電極之間的距離保持0.6mm。準確稱取500mgAgNO3(分析純)加入50ml 的容量瓶中，再加入電阻率為18.24MQ-cm的超純水至刻度，此溶液作為電解液母液；使用 時用lml的吸量管準確量取lml加入100ml的容量瓶中，然後用同樣的超純水稀釋至刻度， 此溶液即為電解液，其濃度為0.589mM。按附圖2所示將兩電極安裝好後，用吸管將電解液 沿兩電極之間的縫隙加入(電解液會通過毛細管作用力自動吸入兩電極之間)，然後在直流穩 壓0.4V下通電沉積1分鐘，即可在導電玻璃基底上得到如圖4A、 B、 C所示的納米分枝銀樹 枝狀結構，其單元直徑為0.9—6.5pm、在基底上的分布密度為5.76X10"個/mm2，佔空比為 61.9%,分枝直徑為80—200nm。 '
.在其他條件不變的情況下，調節沉積電壓為0.6V，製備的樹枝狀結構單元直徑為0.7— 2.7pm、在基底上的分布密度為2.40XlS個/mm2佔空比為54.5%，分枝直徑為50—120nm;
5調節沉積電壓為0.8V，製備的樹枝狀結構單元直徑為0.5—1.8pm、在基底上的分布密度為4.58 X 1S個/mm2.佔空比為47.6%，分枝直徑為20—80nm。
實施例二在製備PVA薄膜的過程中，採用自行設計的液面下降塗膜裝置，在按實施例
一條件製備的銀樹枝狀結構表面塗覆PVA薄膜。準確稱取聚乙烯醇(分析純)7.5g於250ml 燒杯中，加入250ml超純水，攪拌加熱至沸騰，待聚乙烯醇全部溶解後，停止加熱，待溶液 冷卻至室溫後轉入250ml容量瓶，補加超純水至刻度(加熱溶解時有部分水份被蒸發)，即得 塗膜所用的塗液(3M的PVA超純水溶液)。將塗液加入如圖3所示的塗膜裝置上部的玻璃容 器中(容積為250ml)，然後將樣品按圖3所示懸掛在塗液中，調節放液閥，控制塗液滴出的 速度為l滴/秒(此時玻璃容器中液面下的降速度為0.4mm/分鐘)，待樣品完全漏出塗液後， 關閉放液閥，將樣品取出，在無塵環境下自然乾燥，塗覆在銀樹枝狀結構的表面的PVA薄膜 為無色透明，厚度為120nm， PVA薄膜的厚度如附圖4D所示。
在其他條件不變的情況下，調節放液閥，控制玻璃容器中液面下降的速度分別為0.3mm/ 分鐘、0.2mm/分鐘和O.lmm/分鐘，製備的PVA薄膜的厚度分別為230nm、 360mn和500nm。
實施例三在三明治複合材料的製備過程中，如附圖1所示，先按實施例一操作步驟在
0.4V、 0.6V和0.8V的沉積電壓下分別製備兩組銀樹枝狀結構樣品，再按實施例二的操作步 驟調節液面下降速度為0. 4mm/分鐘(塗液漏出速度為1滴/秒)，在其中一組樣品表面塗覆PVA 薄膜，另一組樣品保持裸露。將塗覆PVA薄膜的樣品向上水平放置，在其空白的一端(未沉 積銀樹枝狀結構和未塗覆PVA薄膜的一端，即電沉積時與電源連接和塗膜時用來固定樣品的 一端)滴加少許a-氰基丙烯酸乙酯，將另一未塗膜的樣品按附圖1③所示與其疊合，再在 其上面壓兩層載玻片，30分鐘後a-氰基丙烯酸乙酯完全凝固，然後用矽酮玻璃膠密封疊縫， 即得到"銀樹枝狀結構-PVA薄膜-銀樹枝狀結構"的三明治複合材料。如附圖5所示，銀樹 枝狀結構組裝為三明治複合材料後，在紅外波段1. 2—2.8pm的波長範圍內具有多個明顯的透 射通帶。
權利要求
1. 一種基於銀樹枝狀結構的紅外透光三明治結構複合材料，由兩層沉積在導電玻璃基底上無序排列的銀樹枝狀結構單元和聚乙烯醇(PVA)薄膜夾層組成，其主要特徵是首先在氧化銦錫(ITO)膜透明導電玻璃基底上製備具有多級納米分枝的銀樹枝狀結構，接著在製備的銀樹枝狀結構表面塗覆PVA薄膜，然後將其與另一相同條件下製備的未塗覆PVA薄膜的銀樹枝狀結構疊合組裝成三明治結構複合材料。
2. 如權利要求1所述的三明治結構複合材料中銀樹枝狀結構的製備，其特徵是採用平板電極 化學電沉積方法以ITO膜透明導電玻璃為陰極，純度為99.9%的銀片為陽極，兩平板電極 間距為0.6mm，電解液為0.589mM的AgN03超純水溶液，直流穩壓0.4~0.8V下電沉積 l分鐘，在導電玻璃基底上沉積納米分枝銀樹枝狀結構。
3. 如權利要求l所述的PVA薄膜的製備方法，其特徵是採用自行設計的液面下降塗膜裝置， 將生長有銀樹枝狀結構的導電玻璃垂直提入塗液(3M的PVA超純水溶液)中，控制塗液 液面下降的速度為0.1—0.4mm/分鐘，待導電玻璃完全漏出塗液後，關閉放液閥，將導電 玻璃取出，在無塵環境下自然乾燥，在銀樹枝狀結構表面塗覆一層厚度為120—500nm的 PVA薄膜。
4. 如權利要求1所述的三明治複合材料的組裝製備方法，其特徵是以相同條件下製備的兩個 銀樹枝狀結構樣品為原料，在其中一個樣品上按權利要求3的方法塗覆PVA薄膜，然後與 另一個未塗覆PVA薄膜的樣品對疊，用a-氰基丙烯酸乙酯粘合後，再用矽酮玻璃膠將疊 縫密封，得到"銀樹枝狀結構-PVA薄膜-銀樹枝狀結構"的三明治複合材料。在0. 4—0. 8V 的沉積電壓下製備的銀樹枝狀結構組裝為三明治複合材料後，在紅外波段1.2—2.8pm的 波長範圍內具有多個明顯的透射通帶。
全文摘要
本發明涉及一種基於銀樹枝狀結構的紅外透光三明治結構複合材料，具體涉及一種先採用化學電沉積方法在導電玻璃基底上製備無序排列的銀樹枝狀結構，接著利用液面下降塗膜法在製備的銀樹枝狀結構表面塗覆PVA薄膜，然後將其與未塗覆PVA薄膜的銀樹枝狀結構疊合、膠粘和密封而製備的三明治結構複合材料。這種複合材料在紅外波段1.2-2.8μm的波長範圍內具有多頻帶透射特性。
文檔編號C03C17/34GK101468877SQ20071030816
公開日2009年7月1日 申請日期2007年12月28日 優先權日2007年12月28日
發明者劉寶琦, 趙曉鵬, 鄧巧平, 偉 駱 申請人:西北工業大學