高透过率磁流变弹性体薄膜的制备方法与应用与流程

本发明涉及磁流变材料和聚合物光学材料领域，尤其涉及一种高透过率磁流变弹性体薄膜的制备方法与应用。

背景技术：

磁流变弹性体(magnetorheologicalelastomer,mre)是一种智能材料，由有机粘弹性基体和分散其中的磁性微/纳米粒子组成，能对磁场、力或温度等外部刺激产生响应，在工程领域有广阔的应用前景。例如，mre的机械性能可以通过施加磁场调节，因而可用于振动控制。外磁场还能改变mre的电学性能，由此可用于制造磁控电子元件。此外，由于其多响应行为，mre在传感器和执行器领域也展现了巨大的应用潜力。但是mre在光学领域的应用研究很少。

聚合物和无机纳米粒子形成的复合材料可以用作光学材料，它既具有无机材料稳定、折射率可控的优点，又拥有有机材料易加工、抗冲击、透明性好的优点。有的有机/无机纳米复合光学材料在外界的刺激下能产生可逆的光学现象，如光致变色。但是关于对磁场产生响应的复合光学材料的报道却很少。

有机/无机纳米复合光学材料可以通过将已合成的无机纳米粒子直接加入聚合物基体形成，在这种情况下，无机纳米粒子会聚集成团，降低复合材料的透过率。当纳米粒子含量增加时，聚团现象加剧，从而极大地减小透过率。另一方面，如果纳米粒子含量过低，复合材料产生的特殊效应(如对外界刺激产生响应)又不够显著。如何在实现高透过率的前提下使复合材料呈现显著的特殊效应是需要解决的重要技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种高透过率磁流变弹性体薄膜的制备方法与应用。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

本发明包括以下步骤：

所有步骤在普通试验室条件下实施。

a:配制pdms-磁性纳米颗粒混合溶液：

1)将pdms预聚物和固化剂(道康宁sylgard184)以重量比10:1混合，并用玻璃棒搅拌均匀；

2)将步骤1)所得混合物与有机溶剂甲苯以重量比1:1混合，形成混合溶液，再进行搅拌使其均匀混合，然后将混合溶液放入80khz超声波振荡仪中振荡5分钟，促进其进一步充分混合并去除气泡；

3)将磁性纳米颗粒与步骤2)所得溶液以适当重量比混合，搅拌均匀后放入80khz超声波振荡仪中振荡5分钟，即得到pdms-磁性纳米颗粒混合溶液；

b:制备高透过率磁流变弹性体薄膜：

4)将石英片(8×8×1mm)放入丙酮中，用超声波清洗仪清洗2分钟，取出后置于烘干仪上烘干，烘烤温度为100℃；

5)将步骤3)所得pdms-磁性纳米颗粒混合溶液以适当的旋涂参数(转速、时间等)均匀旋涂于经步骤4)处理的石英片上,获得pdms-磁性纳米颗粒复合材料涂膜；

6)将步骤5)获得的pdms-磁性纳米颗粒复合材料涂膜置于500mt均匀强磁场中，并使磁场方向垂直于薄膜表面；

7)将经步骤6)处理后的涂膜连同对其施加磁场的装置放置于恒温箱中进行固化处理，温度为40℃，时间为24小时，待涂膜完全固化后即得到具有高透过率的pdms基磁流变弹性体薄膜。

一种具有高光学透过率的pdms基磁流变弹性体薄膜由上述制备方法获得，这种薄膜具有如下特性及应用：

这种高透过率薄膜的折射率能在磁场作用下发生变化，因此可以通过施加外磁场调节薄膜的折射率。它可用于制造磁控光学元件，如磁控微透镜。

本发明做了如下方法改进和调整：

通过选择适当的磁性纳米颗粒材料和尺寸可以提高薄膜的光学透过率；在薄膜制备过程中选择适当的有机溶剂可以提高薄膜的光学透过率；薄膜的厚度可以在制备过程中通过改变旋涂工艺的参数(转速、时间等)进行调节。

本发明的有益效果在于：

本发明是一种高透过率磁流变弹性体薄膜的制备方法与应用，与现有技术相比，本发明的高透过率薄膜的折射率可以通过施加外磁场调节，因此可用于制造磁控光学元件。

附图说明

图1为在高透过率磁流变弹性体薄膜制备过程中对pdms-磁性纳米颗粒复合材料涂膜施加磁场的示意图，所施加磁场为方向垂直于涂膜表面的均匀强磁场。在磁场的作用下磁性纳米颗粒沿着磁场方向形成排列有序的短棍状微结构。

其中：1-永磁体；2-pdms-磁性纳米颗粒复合材料涂膜；3-石英片衬底；4-磁性纳米颗粒形成的短棍状微结构。

图2(1)为本发明的高透过率pdms-fe3o4磁流变弹性体薄膜的光学显微照片；图2(2)和(3)分别为薄膜制备过程中施加平行于薄膜表面的磁场以及不施加磁场所形成薄膜的光学显微照片，用以与本发明的高透过率薄膜比较。3种薄膜的fe3o4重量百分数均为1％，照片放大倍数为200x。

图3(1)为本发明的高透过率pdms-fe3o4磁流变弹性体薄膜的透射光谱；图3(2)和(3)分别为薄膜制备过程中施加平行于薄膜表面的磁场以及不施加磁场所形成薄膜的透射光谱，用以与本发明的高透过率薄膜比较。fe3o4重量百分数为1％～24％。

图4中“三角形”图标表示本发明的高透过率pdms-fe3o4磁流变弹性体薄膜在600纳米波长的光学透过率；“圆形”图标和“方形”图标分别表示薄膜制备过程中施加平行于薄膜表面的磁场以及不施加磁场所形成薄膜在600纳米波长的光学透过率，用以与本发明的高透过率薄膜比较。fe3o4重量百分数为1％～24％。

图5为被选择用于数字图像相关分析的本发明的高透过率pdms-fe3o4磁流变弹性体薄膜区域。薄膜厚度为13微米，薄膜中fe3o4重量百分数为3％。

图6(1)和(2)分别为图5所示磁流变弹性体薄膜区域在外磁场作用下沿平行和垂直于磁场方向的应变测量。所施加磁场的方向平行于薄膜表面，磁感应强度为250mt。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

实施例1

1.具有高光学透过率的pdms基磁流变弹性体薄膜的制备过程：

(1)pdms-fe3o4磁性纳米颗粒混合溶液的配制：

基体材料pdms是一种硅橡胶弹性体，由于兼具高光学透过率和高轮廓精度(<10nm)，pdms适合用于制造携带微/纳米结构的光学器件，如透镜、光栅、波片、波导等。本发明使用的pdms由预聚物和固化剂(dowcorningsylgard184)混合后经固化处理形成。pdms-fe3o4磁性纳米颗粒混合溶液的配制包括以下步骤：

1)将pdms预聚物和固化剂(道康宁sylgard184)以重量比10:1混合，并用玻璃棒搅拌均匀；

2)将步骤1)所得混合物与有机溶剂甲苯以重量比1:1混合，形成混合溶液，再进行搅拌使其均匀混合，然后将混合溶液放入80khz超声波振荡仪中振荡5分钟，促进其进一步充分混合并去除气泡；

3)将粒径20nm的fe3o4颗粒(aladdinchemistryco.,ltd.)分别以1％、3％、6％、9％、12％、18％、24％和30％的重量百分数与步骤2)所得溶液混合，搅拌均匀后(为了减少颗粒聚团，随着加入磁性颗粒含量的增多，应适当增加搅拌时间)放入80khz超声波振荡仪中振荡5分钟，即得到磁性颗粒分散均匀的pdms-fe3o4磁性纳米颗粒混合溶液。

(2)高透过率pdms-fe3o4磁流变弹性体薄膜的制备：

4)将石英片(8×8×1mm)放入丙酮中，用超声波清洗仪清洗2分钟，取出后置于烘干仪上烘干，烘烤温度为100℃；

5)将步骤3)所得pdms-fe3o4磁性纳米颗粒混合溶液均匀旋涂于经步骤4)处理的石英片上,获得pdms-fe3o4磁性纳米颗粒复合材料涂膜。旋涂转速为3000转/分钟，时间为20秒；

6)将步骤5)获得的pdms-fe3o4磁性纳米颗粒复合材料涂膜置于500mt均匀强磁场中，并使磁场方向垂直于涂膜表面。fe3o4颗粒在磁场作用下沿着磁场方向形成排列有序的短棍状微结构(图1)；

7)将经步骤6)处理后的涂膜连同对其施加磁场的装置放置于恒温箱中进行固化处理，温度为40℃，时间为24小时，待涂膜完全固化后即得到具有高透过率的pdms-fe3o4磁流变弹性体薄膜。薄膜厚度为13微米。

2.高透过率pdms-fe3o4磁流变弹性体薄膜的表征：

(1)薄膜微观形貌的表征：

光学显微镜(stm6-f10-3,olympus)被用于表征高透过率pdms-fe3o4磁流变弹性体薄膜的微观形貌。由于在制备过程中施加了垂直于薄膜表面的磁场，fe3o4纳米颗粒形成了垂直于薄膜表面的短棍状微结构，图2(1)显示了薄膜的表面微观形貌。如果制备过程中施加平行于薄膜表面的磁场，薄膜会形成纤维状显微结构(图2(2))；如果薄膜制备过程中不施加磁场，fe3o4纳米颗粒会聚集成团，随机分布于基体中(图2(3))。图2(2)和(3)显示的薄膜用于与本发明的高透过率薄膜作对比。

(2)薄膜光学透过率的表征：

uv2100分光光度计(chemitoinstrumentspvt.ltd.)被用于测量高透过率pdms-fe3o4磁流变弹性体薄膜的透射光谱。图2(2)和(3)所示薄膜的透射光谱也被测量用于作比较。实验结果显示，对于fe3o4重量百分数为1％～24％的磁流变弹性体薄膜，在fe3o4含量相同的条件下，本发明的高透过率薄膜的透过率(图3(1))显著高于图2(2)和(3)所示薄膜(图3(2)和(3))。例如，在600nm波长，当fe3o4重量百分数为3％时，本发明的高透过率薄膜的透过率高达93.3％,而图2(2)和(3)所示薄膜的透过率仅为83.6％和81.4％(图4)。

(3)薄膜磁响应特性的表征与分析：

数字图像相关技术(digitalimagecorrelation,dic)被用于表征高透过率pdms-fe3o4磁流变弹性体薄膜的磁响应特性。图5为被选择用于分析的薄膜区域，在无磁场和施加磁场的条件下拍摄该区域的光学显微图片，分别作为参考图像和形变图像，然后采用数字图像相关技术计算出该区域在外磁场作用下沿平行和垂直于磁场方向的平均应变为+0.0063％(图6(1))和+0.0148％(图6(2))。分析结果表明施加磁场会导致薄膜产生应变。

研究显示，对磁流变弹性体施加力会改变其中各向异性微结构中磁性颗粒的间距，从而改变材料的介电性能。本发明的高透过率磁流变弹性体薄膜，是二维两相系统，其折射率n和介电常数ε的关系表示为:

因此，如果施加磁场，薄膜产生的应力会使薄膜的介电性能(介电常数)发生变化，从而导致薄膜的折射率变化。由于本发明的高透过率薄膜的折射率可以通过磁场调节，因而可用于制造磁控光学元件，如磁控微透镜。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。