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基于聚苯胺的兼容型红外电致变色器件研究

李华  
【摘要】:随着光学侦察水平的不断提高,传统伪装器材因其红外特征信号固定,当外界环境发生变化时,伪装器材的特征信号不能与目标匹配,导致目标容易暴露。针对上述问题,本文设计了一种基于聚苯胺的可见-近红外兼容型红外电致变色器件,器件的发射率特性能够在电压的作用下随外界环境变化而变化,器件在可见-近红外波段伪装特性能够满足林地型伪装要求,在实现了器件热红外发射率特性可调的同时,器件的可见-近红外波段伪装性能可与外界环境兼容。研究内容与结论包括:论文首先分析了可见-近红外兼容型红外电致变色器件在可见、近红外及热红外波段的技术要求。通过采集和分析同一环境背景不同时段、相同时段不同环境背景的红外特征数据,明确了可见-近红外兼容型红外电致变色器件的主要性能参数,提出了优先研究以绿色色系为基础、近红外波段兼容、红外发射率可调的智能伪装基本概念。确定了以聚苯胺为基础材料体系,利用光子晶体禁带效应实现器件在近红外波段伪装兼容的设计方案。以镀金多孔薄膜为基底,采用电化学聚合方法制备了红外电致变色器件中的聚苯胺工作电极,研究了聚合电压、聚合电流密度、聚合电量密度对聚苯胺工作电极形貌、结构及初始发射率的影响。研究表明:恒电流条件制备聚苯胺工作电极时,工作电极初始发射率随聚合电量密度的增加不断增大,工作电极聚苯胺薄膜掺杂程度随着聚合电量密度增加变化不大。恒电压条件制备聚苯胺工作电极时,随着聚合电量密度的增加,工作电极初始发射率及聚苯胺薄膜掺杂程度都不断增大。在工作电极聚苯胺层厚度控制方面,恒电流法更有优势;在工作电极初始发射率调控方面,恒电压法更有优势。研究了红外电致变色器件各组成部分制备条件对器件红外电致变色性能的影响,建立了器件红外电致变色机理模型,研究和验证了器件的变色机理。研究表明:(1)工作电极多孔薄膜镀金层厚度以160~200nm为宜,微孔薄膜孔径应小于5μm;(2)器件红外发射率变化幅度随着聚合电量密度的增加先增大后减小;(3)聚苯胺的掺杂改性能够改善其水溶性,可采用喷涂成膜方式制备聚苯胺工作电极,但器件发射率调控范围有所降低。(4)8~12μm波段器件初始发射率低(0.6左右)的情况下,发射率的调控范围为0.3~0.6,最大调控幅度为0.3;器件初始发射率处于中等水平(0.8左右)的情况下,发射率的调控范围为0.33~0.8,最大调控幅度为0.47;器件初始发射率高(0.9左右)的情况下,发射率的调控范围为0.37~0.9,最大调控幅度为0.53。(5)红外电致变色器件在不同电压下发射率变化的主要原因是工作电极聚苯胺层在红外波段吸收不同,器件发射率调控机制符合透射式机理。利用光子晶体禁带效应实现了红外电致变色器件在近红外波段的兼容性能。分别对聚苯胺反opal光子晶体结构及聚乙烯封装膜为基底的一维光子晶体结构进行了理论计算与实验制备,研究表明:(1)聚苯胺反opal结构理论计算表明,当Si O2微球直径为500nm时,聚苯胺反光子带隙反射峰的中心波长位于700nm处,可满足近红外波段高反射性能要求;(2)成功制备了一系列不同孔径的聚苯胺反opal光子晶体结构,当孔径为800nm时,聚苯胺反opal结构在1370nm处有比较明显的光子带隙峰。(3)一维光子晶体结构理论计算表明,选用硅/二氧化硅单周期膜厚为250nm(其中硅层厚度175nm,二氧化硅层厚度75nm),重复周期数为2的一维光子晶体结构,能够满足近红外波段高反射性能要求。(4)选取合适的工艺条件和工艺参数,成功制备出理论计算的一维光子晶体复合膜结构。(5)一维光子晶体结构能够有效提高聚苯胺红外电致变色器件近红外波段反射率,且对器件红外波段变色性能影响较小。


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