【摘 要】
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聚合物基复合材料具有优异的力学性能,作为结构材料广泛应用于土木建筑、航空航天、军事船舶等邻域。随着复合材料作为结构材料的逐渐发展,未来复合材料的发展方向在于探索复合材料更多的功能化应用。与形状记忆复合材料、电活性复合材料以及具有自修复功能的复合材料相比,光子晶体复合材料因具有独特的光学特性而受到众多研究者的青睐。例如,光子晶体复合材料的内部组成呈现高度有序的晶体结构,从而使其宏观上表现为明亮且稳定
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聚合物基复合材料具有优异的力学性能,作为结构材料广泛应用于土木建筑、航空航天、军事船舶等邻域。随着复合材料作为结构材料的逐渐发展,未来复合材料的发展方向在于探索复合材料更多的功能化应用。与形状记忆复合材料、电活性复合材料以及具有自修复功能的复合材料相比,光子晶体复合材料因具有独特的光学特性而受到众多研究者的青睐。例如,光子晶体复合材料的内部组成呈现高度有序的晶体结构,从而使其宏观上表现为明亮且稳定的光子晶体结构色。同时,外界环境刺激可以改变光子晶体中光子带隙的结构,从而使光子晶体复合材料的色彩能够在可见光范围内呈现动态可逆变化实现响应变色。在众多类型的响应性光子晶体中,磁响应光子晶体可以实现对外加磁场强度的快速响应,具有高效、可逆等优点。因此本论文的研究主要以超顺磁性Fe3O4胶体粒子为基本单元,采用马兰戈尼自组装法和磁诱导浸渍法制备Fe3O4光子晶体彩色薄膜、彩色碳纤维。同时,借助布拉格衍射定律,研究Fe3O4光子晶体彩色复合材料的特定功能响应。本文以乙二醇（EG）作为溶剂热法的反应介质,添加适量的表面活性剂柠檬酸三钠（Na3Cit）,制备得到羧基修饰与改性且饱和磁化强度为60.149 emu/g的超顺磁性Fe3O4纳米颗粒。反应体系中反应时间和表面活性剂Na3Cit的浓度对产物Fe3O4纳米颗粒粒径和形貌具有显著的影响。利用外加磁场诱导,通过粒子间静电排斥力和磁偶极吸引力的平衡作用,以稳定分散于去离子水中的超顺磁性Fe3O4胶体粒子为基本单元,制备Fe3O4光子晶体彩色溶液。利用表面张力和沸点各不相同的两相溶剂体系,通过马兰戈尼效应控制溶液蒸发干燥过程中Fe3O4胶体粒子的自组装,制备厚度均匀、色彩均一Fe3O4光子晶体彩色薄膜。同时,研究发现由于基底材料的表面润湿性不同,造成Fe3O4胶体粒子在基底材料表面的沉积速率不同,从而宏观上表现为不同基底材料表面Fe3O4光子晶体薄膜的色彩不同。利用磁诱导浸渍法,在磁偶极相互作用力和粒子间静电排斥力的共同作用下,超顺磁性Fe3O4胶体粒子在碳纤维表面自组装,形成具有面心立方三维晶体结构的Fe3O4光子晶体彩色碳纤维。基于响应性光子晶体的制备原理,定向调控Fe3O4光子晶体中光子带隙的结构,从而实现Fe3O4光子晶体彩色复合材料的功能响应。通过调节永久磁铁与比色皿间的距离,导致相邻两个Fe3O4胶体粒子间距离d逐渐增大,最终使得Fe3O4光子晶体彩色溶液衍射峰的波长向长波长方向移动,实现Fe3O4光子晶体彩色溶液的磁场强度响应。通过顺时针转动Fe3O4光子晶体彩色薄膜,逐渐改变其晶体结构中布拉格衍射角θ的大小,从而导致Fe3O4光子晶体彩色薄膜衍射峰的波长向短波长方向移动,实现Fe3O4光子晶体彩色薄膜的角度响应。将Fe3O4光子晶体彩色碳纤维置于自制的溶剂响应装置上,实现Fe3O4光子晶体彩色碳纤维的溶剂响应。
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