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高分子复合材料研究中心

学术带头人

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于海峰
  • 北京大学材料科学与工程学院特聘研究员、博士生导师
  • 自然科学基金委“优秀青年基金”获得者(2013年)
  • 国家高层次领军人才(2023年)
  • 国家高层次优秀青年人才(2011年)

天然高分子甲壳素/壳聚糖的研究与开发

在天然多糖中,纤维素和甲壳素的储量分别为第一和第二位。甲壳素是地球上储量仅次于纤维素的可再生资源,壳聚糖是其脱乙酰基的衍生物,壳聚糖不仅来源丰富而且具有许多生理活性,可以降低胆固醇和血脂,增强免疫能力,还有抗菌、抗肿瘤、调节植物生长等效果。

工业上

甲壳素被用于水和废水净化,作为稳定食物的食品添加剂和药品。甲壳素还可以作为染料、织物、黏合剂。工业的分离薄膜和离子交换树脂可用甲壳素制成。加工纸的大小和强度也使用甲壳素。

医药上

将甲壳素或壳聚糖纺成纤维,进而加工成外科用的可吸收手术缝合线、伤口敷料、人造皮肤等医用材料。甲壳素含大量氨基阳离子的高分子物质,无论在消化管内或吸收入血,均具有很强膨润、络合、吸附能力,能吸附、结合体内毒素、化学色素,其分子结构中氨基的邻位羟基具有整合重金属、放射性核素的能力,使之排出体外。吸附有害物质。

美容上

甲壳素对细胞无排斥力,具有修复细胞之功效,并能减缓过敏性肌肤。甲壳素中亦含有高效保湿成分,它的β葡聚糖也能有效使肌肤含水保湿。

净化甲醛

甲壳素,性质稳定,具有良好的生物可降解性和相容性,它是自然界罕见的带正电荷纤维结构化合物,不溶于水,在酸性水溶液中产生水合作用而逐渐溶胀形成形状胶囊。当我们将含甲壳素除甲醛试剂喷涂在家具表面时,在家具表面形成一层膜,对家具中的甲醛具有一定的净化效果。

可在高低温下存储光和热的相变储能复合材料与技术

高效的能力的存储与释放是现代材料化学中具有挑战性的课题之一。而太阳能被认为是可再生的环保绿色能源,它几乎提供了人类日常消耗的所有能源。具体统计,一小时的太阳所提供的能量如果全部可以被利用的话,足够为全人类使用一年。太阳能几乎是取之不尽,用之不竭的能源。因此吸引了许多科学家在太阳能转化和利用方面开展了大量的工作,包括人工的光合成和光伏电池等。最近发展起来的另一种利用存储太阳光能量的技术是太阳热能燃料(solar thermalfuel),其基本概念如图1所示。



图1 基于偶氮苯的光致顺反异构诱导相变的高效储能分子材料与新技术。其中处于基态的反式偶氮苯分子吸收光子能量,经光化学作用达到亚稳态顺式异构体,实现能量的存储。经过特定的分子设计,使偶氮苯的异构化的过程中伴随着材料从液晶或者结晶到各项同性的转变,进而提高材料的储能密度。


利用染料生色团分子的顺反异构化作用,光能可以被存储在其亚稳态异构体的化学能中。在外界刺激源(如光照、施加电压,加热等)的作用下,所存储的能量可以通过异构体的恢复以热的形式按需释放。这提供了一种非常理想的分子级的燃料,可以实现能量的可逆储能与释放的循环。整个过程本质上是一个完全封闭的体系,没有任何的辐射能量损耗或者能源浪费,也没有气体或有毒化学物质的释放,材料使用的安全性和能量的利用效率得以大幅提升。

通常偶氮苯类材料为各项同性的,经常为无定形的和非晶态的,在光化学反应中诱导偶氮苯分子产生的光学变化仅仅是分子的顺反异构化作用,在此过程中能量的变化很小,大大地限制了它们进一步储能密度的提高。研究发现,当偶氮苯的两端有柔性的基团连接时(如烷基链或者烷氧基链),它可以作为刚性的介晶基元发生自组装,使其聚集态结构呈现二维或三维有序的液晶性。这样的材料在特定波长光源的辐照下可以发生从液晶相到各向同性相的光化学相转变,如图2所示。这个光诱导的相变虽然是等温发生的,但是却常常伴随着很高的能量变化。利用这种相变带来的能量变化,加上偶氮苯分子顺反构化所储存的能量将会大大提高材料的储能密度。


图2 偶氮苯类材料的基本性质及其与液晶性的关系。反式的棒状结构有利于组装形成有序的液晶相,顺式的弯曲结构则会破坏有序相诱导产生各向同性相。


传统的相变储能材料如聚乙二醇、石蜡、脂肪酸及其衍生物等,只能在高温条件下存在热量,而在低温下通过相变来释放。无法在低温下存储热能,也无法在任何条件下存储光能特别是太阳能等。且通常为小分子材料,存在一定的环境污染危险。其相变潜热低,易挥发、易燃烧、价格昂贵,特别是其热导率较低、相变过程中的传热性能差。基于此,本课题拟将偶氮苯类分子材料的液晶性或者结晶性与其光致异构化储能相结合,同时可以与目前广泛使用的相变储能材料相复合,如图3所示。拟开展分子级光热转换与能量存储新型材料与器件研究,藉此突破光热转换与能量存储的高能长效瓶颈技术,实现储能能量密度大于350KJ/kg。通过本项目的实施和深入进行,有望获得许多具有自主知识产权的研究成果,可以创造出具有高附加值的储能材料与器件。


本项目的优点是可以在高低温条件下都可以使用。即在低温下,存储光能为化学能,并可以热量的形式释放;在高温下,可以存储光能为化学能,同时还可以存储环境的热量,在低温下可控释放为热量。具有使用范围广、储能密度高轻便可携带的特点。初步研究表明这些复合材料可以实现比室温高8度的效果,即使在零下40度左右的低温下也会有热量释放

此外,该材料非常容易与纺织品相复合,得到具有柔性可穿的织物,同时具有条件温度的功能。


可室温光控可逆的智能粘接材料与技术

胶粘剂已经广泛应用于电子、建筑、车辆、航空航天以及生物医药等领域,并且已经成为我们日常生活中不可缺少的一部分。到目前为止,商用胶粘剂主要有两种:强力胶粘剂和易延展型胶粘剂。强力胶粘剂通常脆性大,而模量较低的易延展型胶粘剂粘附力较小,这两种胶粘剂都不适合粘接结构材料。一般来说,高性能胶粘剂粘附力大,而且具有一定程度的延展性,也就是说,高性能胶粘剂是韧性的,这在实际应用中很难实现。此外,从环保角度来说,可重复使用性也是衡量胶粘剂性能好坏的一个重要指标。韧性和可重复使用性被认为是高性能胶粘剂的两个重要特性。

为了提高胶粘剂的韧性,在胶粘剂体系中掺入弹性组分不失为一种有效方法此外,在聚合物网络中引入金属配位键或氢键也有助于提高聚合物胶粘剂的韧性这是因为非共价键的断裂会分散应力,防止胶粘剂体系完全失效,也就是说,弱键的引入使聚合物胶粘剂体系更坚韧。为了使胶粘剂具备可重复使用性,能够可逆相变的材料是一个不错的选择。同一种材料处于不同相态,其机械性能会有较大差别,因此可以通过诱导材料的可逆相变来控制胶粘剂的粘附和脱粘。目前,偶氮苯是最常用的紫外(UV)光响应分子之一。在 UV和可见(Vis)光交替照射下,偶氮苯分子能够发生可逆的顺反异构化,而具有一定分子结构的偶氮苯聚合物则会表现出可逆的软化和硬化,这是因为其顺式和反式异构体的玻璃化转变温度(Tg)分别低于和高于室温。因此,一旦将偶氮苯基团引入聚合物胶粘剂体系,研究人员就可以利用光来控制偶氮苯聚合物胶粘剂的粘附和脱粘。然而,目前文献报道的很多偶氮苯胶粘剂所用材料为偶氮苯小分子和偶氮苯均聚物,这些偶氮苯胶粘剂不仅摩尔消光系数较大,而且脆性也较大,因此不太适合实际应用。

目前,对于胶粘剂的研究虽然取得了一些进展,然而兼具韧性和可重复使用性的胶粘剂报道较少。因此,我们通过加成聚合法成功制备了一种偶氮苯聚合物韧性胶粘剂。在此,将硅氧烷链段引入偶氮苯聚合物中主要有两个目的:(1)降低聚合物中偶氮苯基团的含量,从而降低聚合物的摩尔消光系数;(2)增强聚合物的柔性,使得该聚合物胶粘剂在保持较高粘附强度的同时兼具一定程度的延展性。在U和Vis光交替照射下,该聚合物胶粘剂能够可逆的软化(脱粘)和硬化(粘附),即该聚合物胶粘剂具备可重复使用性:在UV光照下,30s内该聚合物胶粘剂的粘附能量降低至初始值的1.9%;随后在绿光照射下,60s内该聚合物胶粘剂的粘附能量增至初始值的98.3%。对于多种不同的材料,该聚合物胶粘剂都能实现较好的光控粘附和脱粘。为了直观地呈现该聚合物胶粘剂的光控可逆粘附性能,我们制备了一个聚合物粘接的塑料环。在U光照下,塑料环打开;随后在塑料环粘接处施加外力同时进行绿光照射,塑料环能够重新闭合;在V和绿光交替照射下,该塑料环能够可逆的打开与闭合(图1),表明了该偶氮苯聚合物是一种性能优异的胶粘剂。

为了选出性能最好的胶粘剂,我们对偶氮苯聚合物P1、P2和P3进行了粘附测试。首先,我们制备了聚合物P1、P2和P3粘接的PC样品(图2a),其尺寸如图2所示,然后将胶粘剂样品置于万能试验机的夹具上(图2c),在室温下以2 mm/min-1的速率拉伸胶粘剂样品直至样品脱粘,在该过程中利用万能试验机记录聚合物胶粘剂的粘附力-伸长量曲线。图2d为wiker等人提出的三种胶粘剂假想的粘附力-伸长量曲线,用于确定胶粘剂的类型。从图中可以看到:(1)随着强力胶粘剂拉伸长度的增加,施加在胶粘剂样品上的力急剧增大,随后在某一时刻当样品脱粘时,施加在胶粘剂样品上的力直线下降;(2)随着易延展型胶粘剂拉伸长度的增加,施加在胶粘剂样品上的力变化不大,虽然易延展型胶粘剂可以承受较大的伸长率,但其粘附力相对较小;(3)随着韧性胶粘剂拉伸长度的增加,施加在胶粘剂样品上的力急剧增大,而且韧性胶粘剂既具有较大的粘附力,同时又可以承受较大的伸长率,因此韧性胶粘剂是一种较为理想的胶粘剂,这在实际应用中很难实现。图2e为三种偶氮苯聚合物胶粘剂的粘附力-伸长量曲线。从图中可以看到,聚合物P1的粘附力-伸长量曲线与图2d中的红色曲线相似,表明了聚合物P1是一种韧性胶粘剂。

图2(a) 偶氮苯聚合物粘接的PC样品;(b) 偶氮苯聚合物粘接的PC样品的尺寸示意图;(c) 置于万能试验机夹具上用于粘附测试的胶粘剂样品;(d) 三种胶粘剂假想的粘附力-伸长量曲线;(e) 三种偶氮苯聚合物胶粘剂的粘附力-伸长量曲线



保持聚合物的组分不变,增加聚合物的分子量,聚合物P2的粘附力-伸长量曲线也与图2d中的红色曲线相似,但其粘附力和伸长量要比聚合物P1大得多,这可能是因为聚合物P2的分子内或分子间作用力大于聚合物P1的缘故。偶氮苯聚合物P1和P2之所以属于韧性胶粘剂,是因为这两种聚合物中同时存在软畴(硅氧烷链段)和硬畴(偶氮链段),使得这两种聚合物胶粘剂在保持较高粘附力的同时兼具一定程度的延展性。保持与聚合物P2相同的聚合度,使用硬的苯甲酸对苯二酚酯链段取代软的硅氧烷链段,聚合物P3的粘附力-伸长量曲线与图2d中的黑色曲线相似,表明了聚合物P3是一种强力胶粘剂,虽然其粘附力大,但是延展性较差。

为了更精确地比较胶粘剂的粘附强度,在此我们引入粘附能这一参数,它表示单位面积胶粘剂被拉伸至脱粘时所需的外部能量,粘附能可以通过如下公式计算:

AE=W/S   (A−1)

式中 W — 外力所做的功,J,其数值为粘附力-伸长量曲线与横坐标所包围的面积;

S — 粘附面积,m²。


如图3所示,根据粘附力-伸长量曲线(图2e)计算得偶氮苯聚合物P1、P2和P3的粘附能分别为355.8+36.3 J m-2、591.1+45.7 J m-2和234.8+11.5 J m-2。保持与聚合物P2相同的聚合度,使用硬的苯甲酸对苯二酚酯链段取代软的硅氧烷链段,聚合物P3的粘附能大幅度降低。因此,软硬段的合理配比是设计高性能胶粘剂的一个重要因素。在此,偶氮苯聚合物P2作为一种优异的韧性胶粘剂,被用来进行下面的研究。

为了证明聚合物P2的光控可逆粘附行为是否广泛适用,我们利用聚合物P2对不同材料(玻璃片、PC板、铁片、硬纸片、木片和聚四氟乙烯膜)进行光控可逆粘附研究。如图4a所示,聚合物P2对玻璃片、PC板和铁片的粘附能较高,而对硬纸片、木片和聚四氟乙烯膜的粘附能相对较低。这是因为聚合物P2与玻璃片、PC板和铁片的界面相互作用较强,胶粘剂样品脱粘发生在聚合物P2内部;而聚合物P2与硬纸片、木片和聚四氟乙烯膜的界面相互作用较弱,胶粘剂样品脱粘发生在聚合物P2与材料的界面上(图4b)。此外,对于不同材料而言,经365 nm UV(110 mW cm-2)光照30s后,聚合物P2的粘附能均降至初始值的3%以下;随后经530 nm绿光(110 mW cm-2)照射60s后,聚合物P2的粘附能均升至初始值的90%以上。上述实验结果表明了偶氮苯聚合物P2对不同材料依然具有良好的光控可逆粘附性能。


图4(a) 偶氮苯聚合物P2对不同材料的光控可逆粘附行为;(b) 偶氮苯聚合物P2粘接的不同材料样品的脱粘界面照片

本项目的优点是可以在室温温条件下实现可逆的粘接,且适用于玻璃片、PC板、铁片、硬纸片、木片和聚四氟乙烯膜等多种不同的材料。该聚合物胶粘剂与玻璃片、PC板和铁片的界面相互作用较强,胶粘剂样品脱粘发生在聚合物内部;该聚合物胶粘剂与硬纸片、木片和聚四氟乙烯膜的界面相互作用较弱,胶粘剂样品脱粘发生在聚合物与材料的界面上。


远程光驱动的微执行器软物质材料

目前有关致动器软物质一般都采用弹性体材料,很难实现大面积加工,且机械性不好,难以满足致动器应用和开发需要。我们团队最近发明新型“液晶与高分子复合材料”,具有大形变、快响应和良好的机械性能的优点(授权中国发明专利201510959049.4)。应用液晶光取向技术可以构筑具有不同结构、组成、分子有序与多层次微结构的复合材料。与其它液晶取向技术结合,还可以实现具有微米级分辨率的取向阵列排布,丰富和发展复合材料的形变种类与尺度,实现从微米到宏观厘米(甚至分米)级的大尺寸形变,改善致动器形变的可控性与多样性。采用昂贵的液晶与商业化的聚合物复合,可以降低器件的成本,克服弹性体难以回收利用的困难,使致动器材料与器件的循环利用成为可能。

利用现代分析表征技术确定液晶取向及其阵列排布对复合材料形变与驱动行为的影响,通过各种液晶取向技术的组合以及致动器件功能开发,研究液晶的结构、相态、有序性等之间的作用规律对于材料结构调控和器件性能的影响。探索分子设计、结构设计与材料性能之间的关系,以获得可应用于智能仿生与远程驱动功能的新材料,为国防安全与智能化医疗装备提供关键技术支撑,如图1所示。

具体的研究方案:选用适当的液晶单体或者液晶聚合物与通用聚合物充分复合,精确控制其多层次微结构,并以按照预先设定的方式构筑液晶与高分子复合材料,如图2所示。在聚合物薄膜表面采用摩擦取向技术,使靠近聚合物侧的液晶基元沿着摩擦方向取向,而靠近空气一侧的液晶基元则采用非接触的扫描波聚合技术来取向。同时与其它液晶取向方法如光、自组装等相结合,精确排布具有微米级分辨率的液晶取向阵列,实现复合材料中液晶的不同取向方式的各种组合在外界刺激下液晶材料发生弯曲、扭曲和展曲变形,利用液晶与高分子的复合将这种形变放大到宏观可视范围,实现多种形变。

如图3所示,分别利用液晶材料的光化学与光热作用,通过设计复合材料的界面,调控复合作用力,创新性地开发了聚合物分散液晶微球、聚合物与液晶双层膜和形状记忆聚合物与微米液晶三个新型复合材料体系,揭示了它们的材料结构或液晶取向与复合材料性能之间的关系。开发了各种液晶与高分子微米级别的复合材料,并使其分别在多种波长光源的驱动下产生了多种运动形式。特别重要的我们项目组最先制备了具有可逆的光-机械-电转化的复合薄膜,提高了光-机械转化效率,丰富了能量转化形式,开辟了光驱动液晶与高分子复合材料新的研究方向,为寻找和设计高效的光驱动致动器件与相关材料建立更加清晰的的理论依据,促进了远程控制及精确调控复合材料与器件的相关应用基础研究的发展。

预期成果:制备5种以上可以应用于致动器件的液晶与高分子复合材料;实现螨虫行走、螺旋转动、波浪起伏、钟摆运动、可逆卷曲等5种以上的形变;实现致动器件模拟鳞蛇捕食运动、水面轮船行驶(模拟海豚游泳)、人工手指抓物和微流体控制(模拟蚊子吸血)可以探索智能化医疗装备上的应用,模仿合欢树叶的开合和水面轮船行驶可以开拓在国防安全上的用途。

成果、考核指标及评测方式/方法:

第一,5类液晶与高分子复合材料的考核指标。复合材料的膜厚控制在10微米-30微米,具有刺激响应功能,即在光、热、溶剂等作用下发生机械形变形变的速度可以在1秒到1分钟之内的时间完成,且形变具有可逆性。

第二,在掌握新型取向技术的基础上,进一步发展该技术使其更适合于液晶与高分子复合材料的制备。在北京大学的实验室中装配一套新型液晶取向技术的设备,在一定的条件下可以对相关研究人员进行该技术的培训。

第三,实现复合材料5种以上的智能形变,如虫行走、螺旋扭曲、波浪起伏、钟摆运动、可逆卷曲等。具体考核指标如下:

(1)螨虫行走:可以在各种不同粗度的基板上行走,速度可以达到每分钟1厘米以上的水平,且无明显的疲劳现象;

(2)螺旋扭曲:实现左旋和右旋的控制,且螺旋扭曲的螺距可以根据外界刺激响应在1厘米-10厘米范围内调控,响应在1分钟之内完成,过程完全可逆

(3)波浪起伏:其起伏的幅度和位置可以用光的强度和位置来控制,且响应速度为数秒范围,起伏过程可逆

(4)钟摆运动:在交替刺激或者恒定光源辐照下实现频率为0.5-5Hz的钟摆运动,且在3小时内无明显的疲劳现象;

(5)可逆卷曲:可以达到720度以上弯曲,卷曲程度可以用光辐照的强度和位置来控制,且该过程可逆。

第四,将开发的液晶与高分子复合材料应用于致动器件的仿生研究,实现拟鳞蛇捕食运动、水面轮船行驶(模拟海豚游泳)、人工手指抓物、模仿合欢树叶的开合运动、微流体控制(模拟蚊子吸血)等5种以上仿生功能,进一步尝试将这些仿生运动应用于国防安全与智能化医疗装备上。

具体考核指标如下:

鳞蛇捕食运动:可以像鳞蛇一样通过扭曲身体来抓住形状不规则的各种猎物猎物的重量可以达到自身重量的7倍;

水面轮船行驶(模拟海豚游泳):采用光驱动的非接触方式,实现向前行驶与转向方向的精确控制,在液面上的行驶速度最高达到每秒1厘米以上,并可以负载一定的“货物”行驶;

人工抓取重物:模拟人体的五根手指的运动,实现在不同位置的不同尺度的形变,可以抓取自身重量的10倍以上的重物;

模仿合欢树叶的开合运动:实现在光源辐照下打开“树叶”,叶子的开合程度与光强有关,光越强打开的程度越大,撤去光源,叶子自然闭合;

微流体控制(蚊子吸血):采用光化学或光热的方式实现微流体的非接触远程精确驱动,可以实现流速最高为每秒2厘米,通过排列组合实现两束以上流体的AND或者OR的控制。

本项目的优点是原有的具有知识产权的复合材料研究的基础上,实现新型液晶与高分子复合材料的制备技术突破与创新,并在复合材料应用于致动器件的智能仿生与远程驱动功能开发方面实现质的飞跃,主要技术突破与创新包括:

(1)将工业上广泛使用的通用高分子材料与具有刺激响应功能的液晶材料通过组装有机地结合到一个新的复合体系中。同时这些液晶材料可以将新型液晶取向技术分别或者同时与摩擦、光诱导和自组装等液晶取向技术相结合,提高液晶取向阵列排布的分辨率到微米水平,实现复合材料组装过程中多层次微结构的精确调控。而这些研究还未见诸报道,本项目的实施有望在此领域研究的复合材料设计与制备方面取得一定突破。

(2)利用现代分析表征技术确定液晶取向及其取向阵列排布对于复合材料形变与驱动行为的影响,通过各种取向技术以及执行器件的装配与表征等手段揭示液晶材料的结构、相态、有序性等之间的作用规律对于复合材料对层次结构调控和材料性能的影响。探索分子设计、结构设计与材料性能之间的关系,获得高性能的可应用于致动器的智能仿生与远程驱动功能的复合材料。

(3)基于液晶的不同取向方式与聚合物的有机复合在智能仿生与远程驱动领域的应用。而利用新型液晶取向来精准调控液晶取向阵列的排布,有望将这些具有可控结构的复合材料应用于构筑新型的执行器件并赋予新功能,在仿生与远程驱动等相关应用研究方面积累一定的经验,并取得一定的突破,获得具有自主知识产权的功能材料。


基于聚烯烃弹性体的智能调光薄膜材料

随着工业的发展,能源紧张已经成了我们不能不正视的问题。中国是一个能源短缺的国家,同时又是一个能源消费大国。随着我国经济的快速发展,建筑能耗在我国能源总消费量中所占比例逐年上升,已经从20世纪70年代末的10%上升到今天的27.6%。为此,国家已确立了以加强节能和提高能源利用效率为核心的“节能优先、结构多元、环境友好”的能源发展战略。建筑节能主要集中在墙体与门窗两个方面。墙体方面的节能重点是保温。如今墙体节能方面材料与技术逐渐趋于成熟。门窗节能仍有相当大的空间,门窗节能急需改善。为了改善门窗的保温效果,中空玻璃门窗得到了较为普及的应用。但如何能有效地屏蔽夏季太阳光辐射能是一个较为棘手的问题。

国外大量研究和测试已经表明:通过窗户直接进入室内的太阳光辐射热量是夏季室内过热的主要原因,高层楼房约19%的能量来自于太阳光的辐射能。为了达到减少太阳光辐射能的目的,人们发明了低辐射Low-E玻璃等节能玻璃。但这些节能玻璃不具有智能化的特性,在冬天室内需要太阳光辐射能量的时候,一部分太阳红外光辐射能量仍然被屏蔽掉;同时这些节能玻璃在夏季只能屏蔽部分红外光辐射能,太阳可见光部分辐射能不能被屏蔽掉。

图1 利用在微纳米粒子在薄膜膜中的光控相变实现光学开关

鉴于上述原因,本课题的主要研究内容有: 

(1) 开发出随着环境温度升高和降低,可以在光透过/光散射状态之间自动进行可逆转换的柔性薄膜材料。这种薄膜材料作为楼房(或汽车)的门窗玻璃贴膜,可以自动感知周围环境温度变化、从而可以自动调节其自身的光透过率,以便最大限度地有效节约空调能耗、达到节能与环保的目的; 

(2) 进行薄膜材料中试实验,设计并安装中试生产线; 

(3) 赋予薄膜新的变色性能,使薄膜除了具有调光功能,还可以作为图案化装饰,以便满足人们在不同场合对薄膜状态的不同需求; 

(4) 研究薄膜材料作为楼房的门窗玻璃贴膜的节能效果。

采用的方法如图1所示。在聚烯烃弹性体(POE)薄膜中引入北大课题组发明的微纳米粒子,利用其在薄膜中的光控相变实现折光指数的变化,从而诱导复合薄膜在散射/透射状态之间的可逆切换,达到智能调光的目的。这可以用来调控室内温度。这可以为低碳化社会做出一定的贡献。该材料具有的优势:第一,POE材料在阳光下几乎没有黄变的现象发生,具有非常好的稳定性和透光性(可见光>90%);第二,采用的微纳米粒子尺寸可调节,使复合薄膜的透光率可以在大范围内调节;第三,可以通过光学阵列的方式是复合薄膜呈现特殊的图案,达到一般智能薄膜无法实现的装饰效果。

面向智能装备与智能制造的轻量化技术

现代社会是一个信息高度发达的社会,智能装备与智能制造的轻量化技术是目前迫切需要解决的关键问题。以卫星通信应用的高精度碳纤维复合材料反射面为例,介绍我们的树脂基碳纤维复合材料的加工成型方法与技术。

信息的传送不仅关系到一场高科技战争的成败,也与普通民众的日常生活息息相关,除了大众熟知的地面光纤网络和手机移动通信网络之外,卫星通信网络也是一种非常重要的通信手段,我们研制的高精度碳纤维复合材料反射面是地面移动卫星通信系统的关键部件之一。碳纤维复合材料天线面相比传统的铝合金反射面具有重量轻、型面精度高、尺寸稳定性好等一系列突出的优点,成为卫星通信天线反射面的理想材料,广泛地应用在宇航领域、军事通信和雷达天线面。美国、英国等欧美国家的卫星通信的应用非常广泛,碳纤维天线面也应用的而较广,涵盖车载天线、船载天线和无人机载天线等众多领域,对其他国家进行技术封锁。近年来,国内也有研究所和企业进行了仿制工作,解决了有无问题,但限于国内企业的技术能力和设计经验有限,技术参数指标相比英美有较大的差距。

我们团队基于多年的宇航领域顶尖天线反射面研制经验,研制的产品相比国内同类产品,型面精度、重量、尺寸稳定性和结构刚性等性能指标具有明显提升,达到国际一流水平,为进一步推动国内移动卫星通信打下了坚实的基础。关键技术主要分为天线面电气设计、天线面结构设计、天线面成型工艺设计和生产制造和产品检测四大部分。通过详细的结构设计和工艺设计,以及严格执行的工艺流程,研制出各项指标满足技术要求,产品具有型面精度高,重量轻,尺寸稳定性好,互换性好。达到国际先进的碳纤维复合材料天线面,并以此产品为基础研制出系列口径的产品,抓住国内市场用户,同时开拓国际市场。依托XXXX复合材料科技有限公司进行科技创新成果转化,目前以碳纤维复合材料的应用为主要业务方向,涵盖卫星通信、军用包装箱、无人机和机器人等领域的先进复合材料零部件的研制与生产。

图1为给“北京航天科工世纪卫星科技有限公司”制备的高精度、高强度、轻量化天线反射面。除此以外,目前开发的产品还有碳纤维旅行箱,面向房车轻量化制品,轻量化印刷辊等。


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