如今，全球氣候變暖使得人們?cè)讷@取舒適溫度時(shí)耗費(fèi)了高額成本，其根本在于，太陽光中近紅外光譜的照射，成為建筑物溫度升高的主要原因之一，以至于需要安裝強(qiáng)大的空調(diào)系統(tǒng)等建筑設(shè)施以降低室溫。由此，改善建筑物對(duì)近紅外光反射率，又能避免使用昂貴的建筑材料，做到降低室內(nèi)溫度，無疑成為解決此類環(huán)境問題的最佳途徑。節(jié)能膜就具有成本低，穩(wěn)定性高，耐用性好等優(yōu)點(diǎn)。不同折射率的材料也可被用于膜中以獲得更好的節(jié)能效果，但是在節(jié)能膜中添加較高高折射率差值的材料，會(huì)使得它們不適合于大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)化。
近期，來自北京化工大學(xué)楊衛(wèi)民教授課題組提出了一種使用遺傳算法設(shè)計(jì)的具有聚合物多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)的近紅外光寬帶反射器。采用由多組具有折射率差值較小的膜單元組成的多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過對(duì)每個(gè)單元的布拉格波長進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)出的聚合物多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)近紅外光區(qū)域的高反射率和可見光區(qū)域的高透射率。除此之外，研究人員還分析了利用微納多層擠出技術(shù)制備這種聚合物多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)的可行性。相關(guān)成果以題目“Design of polymer multilayer heterostructure broadband reflector for the near-infrared using genetic algorithm”發(fā)表在Journal of Nanophotonics, 2017, 11(3): 1上。第一作者為機(jī)電工程學(xué)院2017屆博士畢業(yè)生程祥。
圖 1由k層PMMA / PET堆疊層組成的多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖
（每組包含S個(gè)PMMA / PET雙層）
【工作機(jī)理】
這種聚合物多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)，由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）單元多層梯度堆疊形成的寬帶反射器。對(duì)于每個(gè)PMMA / PET單元，可以實(shí)現(xiàn)在其布拉格波長附近實(shí)現(xiàn)高反射。以每個(gè)PMMA / PET單元的布拉格波長作為變量，應(yīng)用遺傳算法尋找寬帶近紅外反射的最優(yōu)多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)。考慮到薄膜加工的精度，可實(shí)現(xiàn)短波長近紅外光區(qū)域（780-1100nm）高達(dá)99.63%的總能量反射率和可見光區(qū)域（380-780nm）中89.54%的總能量透射率。
圖 2 （a）具有六個(gè)單元（k = 6）聚合物多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)的反射率和
（b）輸出光譜（包括用于比較的入射太陽光源）
【多層薄膜制備技術(shù)】
多層結(jié)構(gòu)通過扭轉(zhuǎn)層疊的微納多層共擠技術(shù)制造。與立交疊層的方法相比，更易保證薄膜良好的平滑度。制備過程中，PMMA和PET通過兩個(gè)擠出機(jī)擠出，并通過層疊器獲得具有一定厚度比的PMMA / PET熔體雙層結(jié)構(gòu)。當(dāng)通過層疊器時(shí)，雙層熔體首先在寬度方向上分成4通道。4個(gè)通道的雙層熔體沿?cái)D出軸線方向扭曲90°并在寬度方向被切割前延展至一定寬度，從而形成2*4 = 8層的周期性結(jié)構(gòu)。三個(gè)4通道層疊器串聯(lián)連接，形成2*4^3 = 128層的多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)。最后通過梯度膜厚層疊器將熔體按比例分割，比例值即六組中PMMA/PET的厚度比。最后通過擠出模頭和成型裝置形成最終的多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)。實(shí)際厚度即所有層的厚度之和。
圖 3基于扭轉(zhuǎn)層壓的微納米多層共擠技術(shù)
考慮到加工精度和產(chǎn)業(yè)化的需求，在10nm的總厚度誤差范圍內(nèi)，近紅外光的光譜反射率與理想值偏差極小。并且模擬計(jì)算分析表明，正入射角從0°增加到90°過程中，結(jié)構(gòu)在近紅外光區(qū)域（780-1100nm）中的反射率總是很高（70％以上）。結(jié)果說明：與其他敏感濾光片相比，所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)對(duì)近紅外光區(qū)域（780-1100 nm）的高效反射具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性。
圖 4 （a）基于入射角和波長通過模擬計(jì)算的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的反射率;
（b）近紅外光譜（780-1100nm）的反射率對(duì)入射角的依賴性。
此研究得到了北京市自然科學(xué)基金委等基金的資助。
論文全文鏈接：http://dx.doi.org/10.1117/1.JNP.11.036021
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