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科普|光功能复合材料技术与应用

光功能复合材料是具有光学或光电功能特性的复合材料，它

可以由具有光功能特性的功能体与普通基体或具有光功能特性

的基体复合而成。光与固体材料相互作用时，会导致电子极化或

者电子能态转变，发生透射、反射、散射和吸收等过程，导致材

料的光学性能发生变化。其中研究和应用较为广泛的有透光功能

复合材料、电致发光功能复合材料、电致变色功能复合材料和光

电转换功能复合材料等。由于功能特性不同，所涉及的光功能组

分及其基体也有不同。

随着世界各国对环境保护的重视以及人们环保意识的增强，

开展长寿命、低本钱、良好的环境亲和性的高性能智能材料已是

大势所趋，开发具有采光、调光、聚光、蓄光、光电转换、热电

转换等多种功能/智能特性的新型光功能复合材料将成为重要研

究方向之一。

一、透光

透光功能复合材料主要指玻璃纤维增强透明基体的复合材料，

其透明基体可以是透明的聚合物、玻璃、单晶或玻璃陶瓷等。其

中，透明的玻璃纤维增强复合材料按树脂种类可分为不饱和聚酯、

丙烯酸酯类树脂等；按纤维种类可分为玻璃纤维毡〔各向同性〕、

单向布或无捻方格布〔各向异性〕等。常用的采光制品可以分为

三类：〔1〕平板及波形板；〔2〕夹层结构采光板；〔3〕壳体

结构采光罩。

设计高性能透光功能复合材料的关键之一是控制复合材料中

各组分的散射强度。散射是发生在材料折射率改变的界面上的光

反射。这些界面包括材料的相界面、外表、裂纹等。材料中的杂

质和组分波动亦是产生散射的重要原因之一。散射除会导致光损

耗外，还对复合材料的透明性产生重要影响。

透光复合材料的设计主要需满足光学性能要求，因此一般需

考虑以下几点：〔1〕通过匹配光功能复合材料各个组分的折射

率可以获得高透明性，组分折射率越接近，透明性越好；〔2〕

减少复合材料中各相粒子尺寸至100nm以下，也能使复合材料

接近透明；〔3〕复合材料成型加工过程中产生的取向及各向异

性，将会明显改变折射率，从而对复合材料的光学透明性或其他

光学性能产生不利影响；〔4〕光功能复合材料应尽量防止杂质

掺入。其验证主要是测试其透光率是否满足要求，其次再考虑其

力学性能及其他性能〔如耐老化性能〕。

透光功能复合材料是一种非均质透光材料，结合了透光材料

和结构材料的特点，具有比普通玻璃更优异的力学性能，可以制

成各种采光制品，代替玻璃等普通采光材料，除大量用于温室顶

板外，也可用于建筑物采光、工业防护罩、照明灯具挡板等，但

需要改善其阻燃性能。因此如何使树脂基体的光学性能与玻璃纤

维相匹配，同时兼顾复合材料的力学性能、阻燃性、耐老化性、

色泽等其他性能是其研究方向之一。

二、电致发光

电致发光功能复合材料是在电激发作用下能发光的复合材料。

电致发光功能复合材料一般属于激活型的掺杂发光材料，即有选

择地在基质中掺入激活剂的发光材料，是一类非常重要的发光材

料。电致发光功能复合材料主要包括无机发光复合材料、有机发

光复合材料及有机-无机复合发光材料等。

无机发光复合材料是开展比较成熟的一类发光材料。常见的

无机发光复合材料是以碱土金属的氧化物、硫化物、铝酸盐、硅

酸盐等作为发光基质，以稀土镧系元素作为激活剂和助激活剂。

有机发光复合材料通常指在聚合物基体中掺杂或键入有机发光

染料的材料。而共轭聚合物复合材料制备的电致发光器件由于优

异的加工性能、结构稳定等受到广泛关注。有机发光复合材料在

器件制备工艺、材料本钱、多色和全色显示、器件面积等方面具

有无机材料不可比较的优越性，成为制备大面积、低本钱、全色

柔性显示器件的首选材料之一。

有机-无机复合发光材料主要是指将无机激活剂或有机-无机

配合激活剂掺入有机基体中或将有机-无机配合激活剂掺入无机

基体中的发光材料。这类材料中以稀土有机络合物掺杂聚合物或

玻璃基体两类发光材料为主。

三、电致变色

电致变色功能复合材料在电压作用下会发生物理或者化学结

构变化，实现在可见光、红外和微波等不同范围内对透过率、反

射率、吸收率和发射率的调节，从而出现可逆的颜色、吸收光谱

变化，因此可以作为信息显示器件、电致变色智能窗、无眩反光

镜、电色储存器件等。

电致变色组分包括无机和有机两大类，无机电致变色材料的

典型代表是三氧化钨〔WO〕，以WO为功能材料的