CN107357053A - 一种透明度可调的膜及其用途 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种透明度可调的膜，所述膜为智能软材料膜，所述智能软材料膜均匀等厚，所述的膜具有规则波状褶皱，所述波状褶皱的波长与幅值在膜上处处相等，所述波状褶皱的波长受膜的厚度、施加外场激励前的应力状态调控。本发明所述的透明度可调的膜利用其本征应变产生规则的波状褶皱，通过控制外场激励的大小来定量地调节膜的透明度。将本发明中所述的透明度可调的膜运用在防窥玻璃上，大大提高了防窥玻璃的可操作性和智能化，形成透明度可调的智能防窥窗户，成本低，通电后断开开关仍可保持调节后的透明度，节能环保。本发明所述的透明度可调的膜还可以运用在光学器件和光学传感器等方面，尤其在智能光栅上的运用，可以有效改善光栅的可操作性。

Description

一种透明度可调的膜及其用途
技术领域
本发明涉及智能软材料领域，具体涉及一种透明度可调的膜及其用途。
背景技术
智能软材料的研究和应用是当今社会科技发展的重要领域，通过材料与结构相结合 的设计，可以提供快速响应、轻质、廉价的调光器件。智能软材料膜，如介电高弹体膜 有很多优点，包括高能量密度、快速响应、没有噪音、重量轻、成本低等。现有的文献 中利用智能软材料膜可以做人工肌肉、自适应镜头、蠕动泵、发电机等。典型的介电高 弹体驱动器由一张介电高弹体膜和涂覆膜两面的柔性电极组成。当在膜两面施加高电压 时，膜的面积会扩张并且厚度减小，产生离面变形时可以指导一些结构的设计。
智能软材料膜受到压应力时很容易产生褶皱。现有的技术中，刘学进等人的文章中 将介电高弹体膜进行等双轴预拉伸后粘在刚性框架上，对被固定后的膜，部分涂覆一些碳膏在膜两面，施加电压可以产生褶皱。他们的褶皱并不均匀，不能够定量描述，并且 膜不能整体产生褶皱，不能调节膜整体透明度。(JOURNAL OF APPLIED POLYMER SCIENCE,2016,133(14):43251-43258)
SamuelShian等人在介电高弹体膜(VHB4905)表面分散一些金属纳米线，施加电压会使得膜产生形变，纳米线会随着介电高弹体基体的变形而改变分散形貌，从而影响膜 透光，透明度会改变。这类膜并不是靠施加激励后产生规则褶皱来改变透明度，在VHB 表面分散金属纳米线，工艺复杂，成本昂贵。(SoftMatter,2016,12(13):3137-3141)
MilanShrestha等设计了一类可调节透明度的玻璃，利用的是调节透明膜表面的微 小褶皱。首先将透明的介电高弹体膜(VHB4905)进行径向预拉伸，然后在膜表面电子 束蒸镀一层厚度为50nm的氧化锌膜，然后释放预拉伸，会产生褶皱。通过VHB表面和 氧化锌膜产生褶皱可以调节复合膜的透明度。这类调节膜透明度的方法，是在力场驱动 下产生褶皱，其次褶皱只在VHB基体的表面产生，整个介电高弹体膜并未全部产生褶皱。 这类膜的生产工艺复杂，成本高，并且调节透明度的方法不够智能，不方便。(Optics Letters,2016,41(19)：4433-4436)
玻璃一般为透明的，最常用的功能是透光、透视。在需要保护个人隐私的情况下，会配合窗帘使用。有些场所直接安装磨砂玻璃，既可以保护隐私，又可以保留一定的采 光。如中国专利CN204252752所述的一种智能隐秘窗户由支撑框体、变色玻璃和控制器 三部分构成，变色玻璃设置在支承框架内部，平板玻璃和钢化玻璃之间有一层电致变色 膜，三者复合成变色玻璃，通过控制器外接电源随时调整窗户的透明度和采光情况，隐 秘性好，调整灵活，但由于电致变色膜成本较高，难以普及。如中国专利CN202929326 和CN202472180，均用到液晶层来制造调光玻璃，可防窥，但生产成本昂贵，且需要持 续供电。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种透明度可调的膜，所 述的膜是一种经过特定处理的智能软材料膜，利用其本征应变产生规则的波状褶皱，通过控制外场激励的大小来定量地调节膜的透明度。将本发明中所述的透明度可调的膜运用在防窥玻璃上，大大提高了防窥玻璃的可操作性和智能化，只需采用本发明中的透明 度可调的膜，形成新型的玻璃，形成透明度可调的智能防窥窗户，成本低，通电后断开 开关仍可保持调节后的透明度，节能环保。本发明所述的透明度可调的膜还可以运用在 在光学器件和光学传感器等方面，尤其在智能光栅上的运用，可以有效改善光栅的可操 作性。
本发明采用的技术方案如下：
一种透明度可调的膜，所述膜为智能软材料膜，所述智能软材料膜均匀等厚，所述的膜具有规则波状褶皱，所述波状褶皱的波长与幅值在膜上处处相等，所述波状褶皱的 波长受膜的厚度、施加外场激励前的应力状态调控，所述波状褶皱波长的初始值与外场 激励无关，所述波状褶皱的幅值受外加激励调控，激励越强，波状褶皱幅值越大，且膜 的透明度降低，所述的膜通过控制外场激励大小调节膜的透明度；优选地，所述的膜产 生的规则褶皱可表述为正弦或余弦函数；优选地，所述膜的透明度是均匀的。
所述的膜获得规则波状褶皱的方法如下：智能软材料膜经过预拉伸后，所述膜上每一个 点的应力状态相同，且所述膜上任意一点两个方向的主应力大小不相等，通过固化所述 膜的四周全部边界的方式维持预拉伸之后膜上各点的应力状态，然后对所述的膜施加外 场激励，所述膜的整体发生本征应变，产生规则的波状褶皱；优选地，所述两个方向的主应力是指预拉伸方向和垂直预拉伸的方向上的正应力，所述的应力状态相等是指应力的大小和方向相同；优选地，所述的膜经过双轴预拉伸；优选地，所述的膜经过单轴预 拉伸。
本发明所述的透明度可调的膜为智能软材料膜，利用智能软材料的本征应变产生不 同形貌的褶皱，所述的智能软材料是指在外加激励(不包含力场)，例如电场、磁场、 热场、光场、电磁场等作用下，产生形状变化的特殊材料，力学上表现为模量很小，可 承受较大变形，其形变可恢复；所述的本征应变是指材料在外加激励，例如电场、磁场、 热场、光场、电磁场等作用下产生的形变，这种形变不需要依赖外界的力载荷，也即这 种形变是材料自身产生，例如由于温度变化产生的热胀冷缩，这种形变会使得膜产生特 定形貌。本发明所述的变透明度膜受到外加激励之后，由于本征应变的作用，所述膜产 生特定形貌褶皱，施加激励程度不同，可以改变褶皱形貌，从而调节膜透明度。
所述的透明度即指膜透光后另一面物体的清晰程度，透明度从完全看清楚的透明到 半透明到完全看不清膜另一面物体的不透明。这里的透明度并不指透光程度，并不起到调节亮暗的作用，膜只起到分散光线的作用，使得光漫反射，从而改变透明度。自然光 垂直照射变透明度膜，当膜产生褶皱时，会使得膜另一面物体不清晰的程度。所述透明 度可调的膜产生不同透明度是由于膜本征应变产生褶皱形貌的不同而引起光路改变，透 明度改变。
所述的膜整体发生本征应变是指膜在外场激励作用下产生形变，其中“整体”包括两个方面的内容，一个方面是指膜除了四周边固定部分不产生褶皱，其余未固定部分的 膜全部产生褶皱，另一个方面是指，膜产生的褶皱不是膜表层产生褶皱，而是膜在厚度 方向整体发生变形。本发明所述的膜整体发生本征应变，产生规则的波状褶皱不包括与 膜四周经固化后的边界接触部分的膜，该部分的膜与固定后的四周边界接触的边缘，膜 产生的褶皱会因为边界效应而不规则，但不规则区域相对于整体规则区域，范围很小， 可以忽略。
所述的两个方向的主应力大小不相等是指预拉伸方向和垂直预拉伸的方向上的正 应力大小不相等。
所述的应力状态是指物体受力作用时，其内部应力的大小和方向不仅随截面的方位 而变化，而且在同一截面上的各点处也不一定相同。通过物体内一点可以作出无数个不同取向的截面，其中一定可以选出三个互相垂直的截面，在它上面只有正应力作用，剪 应力等于零，用这三个截面表达的某点上的应力，即称为此点的应力状态。
本发明中所述的预拉伸，既可以是单轴预拉伸，也可以是双轴预拉伸，还可以是一般拉伸情况，只要达到预拉伸后，膜内每一个点的应力状态相同，且所述膜上任意一点 两个方向的主应力大小不相等即可，即所述的膜经过预拉伸后，膜内的拉伸率应满足 λ1≠λ2，其中λ1、λ2为膜面内主应变方向的拉伸率。
进一步地，固化所述膜的四周全部边界是指通过对膜的四周全部边界进行固化，对膜起 到支撑作用，使膜在变形过程中结构相对稳定，用于保证所述的膜在外场激励的调节下 不会产生结构失稳导致膜结构的破裂；优选地，固化所述膜的四周全部边界采用的方式 选自以下方式的任意一种或多种：采用硬质框架进行固定、采用膜边界处强化的方式进行固定、对膜的四周添加纤维的方式进行固定。
所述的膜在经过预拉伸后需要对膜四周进行固定，从而固定预拉伸后的膜的应力状 态，固化所述膜的四周全部边界，支撑所述的膜，使膜在变形过程中结构相对稳定，膜在外场激励的调节下不会产生结构失稳导致膜结构的破裂。所述膜边界处强化的方式， 是指通过化学试剂改变膜的分子链形态，将膜玻璃化，进而提升边界处膜的模量，固定 四周，所述有机溶剂为苯乙烯、全氯乙烯、丙酮、乙醇等。所述膜四周添加纤维为模量 高(大于1GP)的纤维材料，例如碳纤维、聚酯纤维、玻璃纤维等，所述添加方式为粘 附、粘贴等。所述的模量是指杨氏模量，材料在弹性变形范围内应力与应变的之比，用 于表征材料产生弹性变形的难易程度，所述高模量是指材料抵抗弹性变形能力强。
进一步地，所述的硬质框架为高模量材料，所述的硬质框架与膜的连接方式选自粘 结、螺纹连接、焊接、沟槽连接、法兰连接、承插连接中的一种或多种；优选地，所述 的高模量材料为拉伸模量为1GP以上的材料；优选地，所述的高模量材料为高模量塑料 或高模量橡胶；优选地，所述的高模量塑料选自丙烯酸塑料、ABS塑料、PC塑料、PP 塑料中的一种或多种。所述的模量是指杨氏模量，材料在弹性变形范围内应力与应变的 之比，用于表征材料产生弹性变形的难易程度，所述高模量是指材料抵抗弹性变形能力 强。
进一步地，所述预拉伸的倍数为大于1倍；优选地，所述的预拉伸的倍数为1.5～15倍；优选地，所述预拉伸的倍数为1.5～8倍；优选地，所述预拉伸的倍数为2～4 倍。
所述的预拉伸即对于所述的透明度可调的膜在工作之前施加一定的拉伸应变，例如 对于矩形膜进行三倍预拉伸，可以沿着垂直于短边的方向施加预拉伸载荷，预拉伸至长边为原长度三倍，并通过外接框架约束保持这一应变作为变透明度膜的初始状态，这一 过程即为施加三倍预拉伸过程。
进一步地，所述膜的厚度为10nm～50mm；优选地，所述膜的厚度为0.01mm～10mm；更优选地，所述的膜厚度为0.1mm～5mm。
进一步地，所述的透明度可调的膜的形状为三角形、多边形、圆形、椭圆形、不规则图形；优选地，所述的膜的形状为四边形；更优选地，所述的四边形为长方形或正方 形。
膜的形状可以是正方形、长方形、三角形、圆形或其他任意形状，对膜的四周全部边界进行固化处理后，膜的形貌可以由外场激励调节，膜整体上产生规则的褶皱，但对 于不同形状的膜，在与四周边界接触的边缘，膜产生的褶皱会因为边界效应而不规则， 但不规则区域相对于整体规则区域，范围很小，因此本发明所述的膜的整体产生规则的 波状褶皱，不包括所述的与四周边界接触产生边界效应部分的膜。
进一步地,所述智能软材料膜是能够在外场激励下产生本征应变的材料，选自介电 高弹体、热敏材料、光敏材料、电磁场感应材料中的任意一种或多种；优选地，所述的 热敏材料的外场激励方式为热场；优选地，所述的光敏材料的外场激励方式为光；优选 地，所述的电磁场感应材料的外场激励方式为电磁场；优选地，所述介电高弹体的外场 激励方式为电场。
所述的热敏材料的外场激励方式为热场,具体的加热方式有电热丝加热，微波加热， 红外加热等多种方式。若采用电热丝加热，则要求电热丝对结构的力学性能不能产生大 的影响，即对变透明度膜产生过大的阻力。同时电热丝在给变透明度膜进行加热时应有保温措施防止热量流失，例如在系统外附一层隔热透明薄膜。
进一步地，所述介电高弹体膜在外场激励下产生的波状褶皱的波长满足如下公式： lλ/lf2＝2.05αf 1/2(lf2/t0)-1/2(λ11-1)-1/4，其中经固定后膜的长宽比为αf＝lf1/lf2,lλ为波长， lf1为经固化后膜的长度，lf2为经固化后膜的宽度,t0为膜的初始厚度，λ11为膜的单轴预 拉伸的倍数，即拉伸率，其中λ11＝ls11/ls10，ls10为膜初始状态的长度，ls11为膜拉伸后的长 度。
进一步地，所述的智能软材料膜是介电高弹体膜，所述的介电高弹体膜，除四周固定部分外，整张膜的两侧均涂覆导电的柔性电极层，使膜整体发生本征应变，产生规则 波状褶皱；优选地，所述的柔性电极层选自银纳米线电极、碳纳米管电极、水凝胶电极、 石墨烯电极中的任意一种或多种；优选地，将膜置于导电液体中，膜两侧的液体完全隔 开，充当柔性电极层；更优选地，所述的导电液体为透明无色。所述柔性电极层在变透 明度工作过程中主要作为导电作用，因而在具备一定的导电特性的同时，应尽可能的降 低柔性电极层的拉伸模量，减少其对变透明度膜功能的影响。在调节膜透明度的工作过 程中，柔性电极层的导电特性保持恒定，例如电阻不应发生较大变化。
进一步地，为了防止漏电，柔性电极层与外界供电系统的连接处需要做好绝缘处理。
进一步地，所述的智能软材料膜是介电高弹体膜，所述的介电高弹体膜在电场激励 后产生褶皱，撤去电源后，所述膜上留存的电荷可以使褶皱保持原始状态，用于节省电能。
对于一种透明度可调的膜为介电高弹体膜，所述的介电高弹体膜在电场激励后产生 褶皱，撤去电源后，电路处于断路状态，由于介电高弹体膜相当于一个电容器，可以储存电荷在其上下表面，所述膜上留存的电荷可以使褶皱保持原始状态，只有再短接电路，膜正负极电荷平衡后，褶皱才会消失，所以可以节省电能。
进一步地，所述膜透明度的调节范围为0％～100％，所述的变透明度膜在激励撤去之 后能恢复原状，透明度不变。
所述的透明度即指膜透光后所述膜的另一面物体的清晰程度，透明度从完全看清楚 的透明到半透明到完全看不清所述膜的另一面物体的不透明。这里的透明度并不指透光 程度，并不起到调节亮暗的作用，膜只起到分散光线的作用，使得光漫反射，从而改变透明度。自然光垂直照射变透明度膜，当膜产生褶皱时，会使得膜另一面物体不清晰的 程度。变透明度膜产生不同透明度是由于膜本征应变产生褶皱形貌的不同。本发明中透 明度为0％是指完全膜糊，看不清所述膜的另外一面的物体，透明度为100％是指完全清 晰，能够完全看清所述膜的另一面的物体。
本发明的第二个目的是提供一种透明度可调的材料，所述的透明度可调的材料包含 以上任何一种形式的透明度可调的膜。
本发明的第三个目的是提供一种可调节光栅，所述的光栅包含以上任何一种形式的 透明度可调的膜。
传统的光栅由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件。一般常用的光栅是在玻 璃片上刻出大量平行刻痕制成，刻痕为不透光部分，两刻痕之间的光滑部分可以透光，相当于一狭缝。精制的光栅，在1cm宽度内刻有几千条乃至上万条刻痕。这种利用透射 光衍射的光栅称为透射光栅，还有利用两刻痕间的反射光衍射的光栅，如在镀有金属层 的表面上刻出许多平行刻痕，两刻痕间的光滑金属面可以反射光，这种光栅称为反射光 栅。本发明利用智能软材料在本征应变下产生的褶皱，既可以制作透射光栅，也可制作 衍射光栅。通过多层膜的重合，光的折射与反射原理，施加激励，可以制作可调节光栅。
本发明的第四个目的是提供一种可调节透明度的复合玻璃，所述的可调节透明度的 玻璃包含以上任何一种形式的透明度可调的膜。
传统的玻璃一般为透明的，用于采光。一般的磨砂玻璃常用于一些私密场所，但不能保证其透光率。利用智能软材料膜在外在激励作用下产生本征应变，从而调节智能膜 的透光率。本发明所述的变透明度玻璃既可以正常透光，也变透明度来保证个人隐私， 有很好的可选择性。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明利用智能软材料能产生本征应变的性能，通过对膜进行预处理进而施加外场激励的方式使膜产生规则的波状褶皱，从而调节膜的透明度，实现了通过控制外 场激励的大小对膜的透明进行任意程度调节的功能；
(2)将本发明中所述的透明度可调的膜运用在防窥玻璃上，大大提高了防窥玻璃的可操作性和智能化，只需采用本发明中的透明度可调的膜，形成新型的玻璃，形成透 明度可调的智能防窥窗户，成本低，通电后断开开关仍可保持调节后的透明度，节能环 保；
(3)本发明所述的透明度可调的膜，设计简单、结构简便、材料廉价且绿色环保，从而大大降低了智能防窥玻璃的生产成本；
(4)本发明所述的透明度可调的膜还可以运用在在光学器件和光学传感器等方面， 尤其在智能光栅上的运用，可以有效改善光栅的可操作性；
(5)本发明所述的透明度膜可以设计成一种智能窗帘，适用于家庭客厅、卧室、厨房、 卫生间等多种场所，可以更方便和智能的保护隐私；
(6)本发明提供一种透明度可调的材料，所有包含所述的透明度可调的膜，都可以通过调节外场激励的大小来调节透明度。
附图说明
图1是介电高弹体膜的预拉伸过程图。
图2是经预拉伸并用刚性框架固定后的电高弹体膜其两侧粘合有柔性透明电极示意图。
图3是测量褶皱形貌的装置图。
图4是介电高弹体膜试样在不同电压下的褶皱形貌图。
图5是介电高弹体膜在电场作用下产生褶皱的波长结果图。
图6是不同种类介电高弹体膜的褶皱幅值随电压变换的结果图。
图7是不同预拉伸情况下，介电高弹体膜的褶皱幅值随电压变化的结果图。
图8是介电高弹体膜在不同尺寸下，褶皱幅值随电压变化的结果图。
图9是透明度可调的玻璃的示意图。
图10是介电高弹体材料Mooney-Rivlin模型中的材料参数C1和C2的数值。
图11是对比实施例1中膜预拉伸后并粘附柔性电极后的示意图。
图12是对比实施例3中实验过程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应该理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明的讲授的内容之后，本领 域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要 求书所限定的范围。
实施例1
本实施例中的透明度可调的膜选用介电高弹体材料，以高压发生器作为激励方式，阐述 本发明所述的透明度可调的膜利用本征应变产生褶皱来调节透明度的具体实现。
实施例过程的示意图如图1，图2，图3所示。
如图1显示了初始状态的介电高弹体膜，初始长度为ls10，宽度为ls20，将垂直于x轴的两端固定。然后对介电高弹体膜进行拉伸，拉伸后长度和宽度分别变成ls11和ls21， 其中ls21＝ls20。因此介电高弹体膜的预拉伸的倍数为λ11＝ls11/ls10。然后用一个刚性框架， 长和宽分别为lf1和lf2，固定在拉伸介电高弹体膜的中心。用柔性透明电极涂覆在介电 高弹体膜两面。
如图2所示，电极和高压电源连接，当施加一定电压时，波状褶皱将会出现，且沿着垂直于预拉伸的方向上分布(即正弦波形的传播方向垂直于预拉伸方向)。
图3表示的是用于测量褶皱形貌的装置。介电高弹体膜置于滑轨上，由电机驱动。激光位移传感器悬挂于介电高弹体膜上，用于测量传感器和激光间的距离。当介电高弹 体膜在滑轨上以一个恒定的速度移动，并被激光位移传感器扫描，这样介电高弹体膜的 褶皱形貌即被记录。
本实施例所述的透明度可调的膜，这里指介电高弹体膜，本发明选取Mooney-Rivlin 超弹材料模型来描述其力学行为。所述的Mooney-Rivlin模型为材料的超弹本构模型， 本构模型反应材料的应力应变关系，所述的超弹本构模型反应材料应变能和变形的关系。
此模型的弹性能量密度为：
WS(λ1,λ2)＝C1(I1-3)+C2(I2-3) (1)
其中C1和C2是Mooney-Rivlin模型中的材料参数，其中I1和I2是Mooney-Rivlin模型中 应变不变量，
I1＝λ1 2+λ2 2+λ3 2 (2)
I2＝λ1 2λ2 2+λ2 2λ3 2+λ1 2λ3 2 (3)
并且C1和C2由单轴数据通过最小二乘法来拟合材料模型得到的。
对于每种材料，VHB9473，VHB4905，VHB4910，分别取5个试样(长为10cm，宽为1cm)，在单轴拉伸机下以速度为20mm/min的速度拉伸。不同类型的介电高弹体膜的材 料常数在图10中列出。所有试验都是在25℃室温下进行的。
关于介电高弹体膜产生褶皱，本发明研究了褶皱的波长和后屈曲部分褶皱的幅值。 所谓屈曲，即当载荷达到某一临界值时，结构构型将突然跳到另一个随遇的平衡状态。临界点之前称为前屈曲，临界点之后称为后屈曲。介电高弹体膜产生褶皱即为后屈曲状态。
采用介电高弹体膜，经过预拉伸后，所述膜上每一个点的应力状态相同，且所述膜上任意一点两个方向的主应力大小不相等，通过固化所述膜的四周全部边界的方式维持预拉伸之后膜上各点的应力状态，然后对所述的膜施加外场激励，所述膜的整体发生本 征应变，产生规则的波状褶皱，产生的规则的波状褶皱的波长满足的公式推导过程如下：
如图2所示，定义x，y，z方向(厚度方向)的拉伸率分别为：
假设介电高弹体膜为线性材料，杨氏模量为ES，张力为T12＝T11-ΔTφ1，其中，
T12≈ESt(λ12-1)T11≈ESt(λ11-1) (5)
施加电压时，ΔTφ1≈EStΔλφ1，其中t0和t分别表示参考状态下和现阶段介电高弹体膜的 厚度。Δλφ1为施加电压后变化后的伸长率。ΔTφ1＝εEφ 2t，其中ε为介电常数，Eφ是电场 强度，Δλφ1＝εEφ 2/ES。E＝2G(1+v)，其中G是剪切模量：G＝2(C1+C2)。
在褶皱出现的过程中，当施加电压前褶皱的幅值为零，即波长也为零时，根据一般胡克定律和平面应力问题，在出现褶皱前介电高弹体膜没有变形：
λ12-1＝(T12-vT22)/ES＝λ11-1 (6)
其中，T22＝T21-ΔTφ2。因此，ΔTφ2＝vΔTφ1，膜此刻拉伸率满足关系：λ12＝λ11-Δλφ1。
介电高弹体膜在简单拉伸状态下y方向的张力T21＝0。由于介电高弹体膜很软，因此不能支持压缩应力，T22≈0。简化后，出现褶皱的临界拉伸率：λ12c≈λ11。波长可以表 示为：
lλ＝(2πlf1t0)1/2/[3(1-v2)(λ11-1)]1/4 (7)
对于不可压缩介电高弹体膜，可以得到无量纲的波长：
lλ/lf2＝2.05αf 1/2(lf2/t0)-1/2(λ11-1)-1/4 (8)
其中刚性框架的长宽比为，αf＝lf1/lf2。
下面部分是波状褶皱幅值的相关内容：
在后屈曲过程中，当波长和波数在电压增加过程中不变时，褶皱的幅值随电压的增 加而增加。
如图1所示，在介电高弹体膜的中心建立直角坐标系，膜褶皱时的垂直位移场可以表示为：
ζ(x,y)＝lAcos(kny)sin(πx/lf1) (9)
其中kn为波数，kn＝2π/lλ，lλ为褶皱波长，唯一未知的变量是lA，决定了褶皱的形貌。
在介电高弹体膜平衡状态下，利用能量法可以得到lA。弹性能包括两部分，一部分为弯曲能另一部分为拉伸能。介电高弹体膜在计算弯曲能时，考虑成线弹性材料，利用 其杨氏模量常数。
弯曲能：其中，B是介电高弹体膜的弯曲刚度： B＝ESt3/12(1-v2)；拉伸能：采用Mooney-Rivlin材料模型来描述介 电高弹体膜的弹性能量密度。电势能：其中，ε为介电常数， ε＝4.7×8.85×10-12F/m。Eφ是电场强度，Eφ＝φ/t，t＝λ32t0，其中，t0和t分别表示介电 高弹体膜参考状态和现有状态的厚度。
计算Gibbs自由能：弹性能和电场能先前定义，一旦外部载荷被描述，在数学上则是lA的函数。当系统处于平衡状态是，当时，达到最 小值，求解方程可以得到褶皱的幅值。
数值计算中，假设拉伸分量λ12在沿着x方向上保持不变，λ22在沿着y方向上保持不变。
其中，ζ(x,y＝±0.5lf2)≠0,lf2不能准确的被lλ分割。但对于褶皱的周期结构，在y＝±0.5lf2时，边界条件放松不会影响到褶皱的形貌。
数值计算得到无量纲波长，刚性框架的几何形状和不同介电高弹体膜的预拉伸倍数 之间的关系：lλ/lf2＝2.05αf 1/2(lf2/t0)-1/2(λ11-1)-1/4，其中αf＝lf1/lf2。
褶皱的波长只与框架的几何形状和介电高弹体膜的预拉伸倍数有关，与施加电压的 大小无关。如图4所示，为介电高弹体膜试样在不同电压下的褶皱形貌图。
利用这一模型我们对介电高弹体膜进行不同倍数的预拉伸，发现在电压大于1kv时， 预拉伸倍数越大，褶皱的幅值lA越小。在电压小于1kv时，介电高弹体膜基本不产生褶皱。随着电压的增加，褶皱的幅值lA越大。如图7所示，在不同预拉伸情况下，介电高 弹体膜的褶皱幅值随电压变化的结果图。
对于介电高弹体膜的透光率，初始透光率为100％，随着褶皱幅值、褶皱波长的变化 而变化。当膜固定框架和特定的预拉伸时，施加电压，膜的透光率会发生变化，原因在于褶皱的幅值变化，随着电压的增加，加到膜出现褶皱后，继续增加电压，褶皱幅值会 变大。但在出现褶皱，继续施加电压过程中，膜褶皱的波长并未变化。
本实施例提供一种透明度可调的膜，该膜可以根据需要，控制外场激励大小，来调节透明度。本发明透明度可调的膜为经过预拉伸的平整等厚膜，膜内的拉伸率应满足 λ1≠λ2，其中λ1、λ2为膜面内主应变方向的拉伸率。本实施例中仅对膜进行一个方向预 拉伸，膜内会产生非均匀变形，沿拉伸方向、垂直拉伸方向和膜厚度方向的应变应满足 关系：λ1＞1，和其中λ1、λ2为膜面内主应变方向的拉伸率，λ3为膜 厚度方向拉伸率。
本实施例中透明度可调的膜需要在两侧粘合柔性透明电极，用于给膜施加电场激励，进一步地，还需要控制电路，用于智能调节电压大小，从而调节变膜的透光率。
所述的透明度可调的膜，其预拉伸的倍数为大于1倍，优选地，所述的预拉伸的倍数为1.5～15倍，膜的厚度为10nm～50mm。优选地，预拉伸的倍数为2～4倍，膜的厚 度为0.1mm～5mm，可以提高膜的性能。
介电高弹体材料可以采用硅橡胶，聚丙烯酸，聚二甲基硅氧烷等。作为优选，本实施例采用3M公司生产的VHB胶带作为变透明度膜。
以下采用3M公司生产的VHB变透明度膜构成变透明度膜为·例，来说明框架尺寸、预拉伸、电压如何调节膜透明度的。
将预拉伸后的VHB膜置于两个密封的透明塑料板内，变透明度膜和塑料板的连接通 过胶水粘结，在膜和塑料板间我们注入盐水，本实施例还需要一个电源系统，在膜两侧的盐水中分别引出一根细的导线，与高压电源(TRECK 610)相连接。
本实施例中测试的VHB膜有三种厚度，t0＝0.25mm,0.5mm和1mm，刚性框架的尺寸为lf1＝5,10cm和lf2＝5,10cm，得到的框架长度和厚度之比αs＝lf1/t0从50到400。本实 施例中一般αs小于100时，介电高弹体膜可以考虑成薄板，当αs大于100时，介电高 弹体膜考虑成忽略弯曲刚度的膜。在出现褶皱的分析中，本实施例将介电高弹体视为不 可压缩材料制作的薄板。这个假设是由于在产生褶皱的过程中变形很小并且褶皱的波长 是不依赖于杨氏模量。图5为电场激励下，不同介电高弹体试样的褶皱波长结果图。
当框架几何尺寸lf1＝lf2＝10cm，介电高弹体膜的预拉伸的倍数为λ10＝1.5时，图6为电场激励下不同种类介电高弹体试样的幅值结果图。
结果表明我们可以预测波状褶皱的波长，波长的大小与预拉伸的倍数的大小、刚性 框架的长和宽呈负相关，与膜的厚度呈正相关。
当预拉伸的倍数很大时，拉伸的应变曲线不是线性的，弯曲刚度会随着拉伸的增加 而变化。对于膜，弯曲能相比于拉伸能或者电势能是很小的值。
如图8,所示，在φ＝8kV时，本实施例可以计算弯曲能、拉伸能和电势能，结果为US/UB＝1.18×106，Uφ/UB＝7.30×105，因此当电压很高时，弯曲能相比于其他两个能量 很小。计算时不加弯曲能对结果没有影响。
以下采用3M公司生产的VHB9473膜为例，来说明膜的预拉伸对褶皱幅值的影响。如图7所示，预拉伸的倍数从1.5倍增加到4倍时，产生褶皱的临界电压没变，表明预 拉伸不会影响产生褶皱的临界电压。随着电压的增加褶皱幅值迅速增加。
整个介电高弹体膜都假设为理想单拉状态，当介电高弹体膜的长宽比很小(约为1)， 由于边界效应，结果将不正确。本实施例中只将介电高弹体膜的中心部分取做介电高弹 体膜试样，这样假设介电高弹体膜为单拉状态是合适的。为了证明这点，本实施例进行了不同尺寸介电高弹体膜的测试，如图8所示，本实施例采用3M公司生产的VHB4905， 来说明长宽比不影响电压幅值曲线。
如图8，介电高弹体膜ls20＝15cm，长宽比，ls1/ls2＝4/3,6/3,12/3，介电高弹体膜试样的 尺寸，lf1＝5cm和lf2＝10cm。结果表明介电高弹体膜的长宽比不影响“幅值-电压”曲 线。理想单轴拉伸的状态符合程度与ls1/ls2大小呈正相关，即越大的ls1/ls2越符合预测的 理想单拉伸状态。
透明度可调的膜在本征应变作用下产生的褶皱可以用于制作一种衍射光栅、光学设 备和光学传感器。
实施例2
本实施例中采用3M公司生产的VHB4905作为透明度可调的膜来制作智能窗户。图9是 透明度可调的玻璃的示意图。智能窗户由一个三明治结构，介电高弹体膜在中间，两边为透明电极，然后用透明塑料箱封装好，如图9(a)所示。玻璃的的长和宽分别为8cm 和4.5cm，预拉伸的倍数为1.5。施加电压前，光可以直接透过膜，膜有很高的透光率， 当施加电压后(φ＝10kV)，膜会出现褶皱，光透过膜会发生折射，偏离原来的方向。当 褶皱是条状的，则光折射的方向会随着褶皱形貌的不同而改变，如图9(b)。
如图9(c)所示的结果，透过介电高弹体膜看到的文字通，施加电压前清晰，施加电压后文字膜糊。
本实施例利用对经过预拉伸的介电高弹体膜施加电压膜会产生规则褶皱的方法来 制作透明度可调的玻璃。褶皱的形貌为条纹状，玻璃的透光率与褶皱的形貌有关，控制变量的情况下，膜的透明度与褶皱波长大小成正比，与褶皱幅值大小成反比。褶皱的波 长和幅值可以通过介电高弹体膜的厚度和预拉伸的倍数的大小，刚性框架的几何尺寸， 施加的电压来调节。
智能窗户调节施加电压的大小可以改变其玻璃的透光率。本发明采用智能软材料的 本征应变产生不同形貌的褶皱来调节膜的透明度。通过对外场激励的调节可以控制膜的 透明度，透明度可以任意调节。另一方面，变透明度膜所用材料廉价，生产成本低廉， 并且绿色环保。本发明所述的变透明度玻璃可用于家庭窗户，智能光栅，或其他需要调 节透明度的场所。特别的，在光学器件和光学传感器等方面有较好的应用前景。
对比实施例1
由刘学进等人发表的文章(JOURNAL OF APPLIED POLYMER SCIENCE,2016,133(14):43251-43258)，将介电高弹体膜(VHB4910)进行“等双轴预拉 伸”(equal bi-axially)，预拉伸倍数的范围在2～3.5倍，然后用刚性框架固定，固 定好后的膜长度为L，宽为W，再在膜两面涂覆柔性电极，涂覆电极的范围为长为L， 宽为Lw的矩形区域，其中Lw＜W(如图11所示)，即只在膜上部分涂覆电极，进而对 膜施加外场激励。由于施加电压激励后，膜内涂覆电极的部分和未涂电极部分应力状态 不一致(涂覆电极的部分有电场力的作用)，所以产生褶皱并不规则，不能够定量描述。 并且膜在电场激励作用下不能整体产生褶皱，只在涂覆电极的区域形成褶皱，因此整张 膜的透明度无法调节。
该对比文件中，采用的“等双轴预拉伸”(equal bi-axially)，是指在两个相互垂直的 方向上对介电高弹体膜进行相同倍数的预拉伸，进过预拉伸后，膜内任一点的两个方向 主应力大小相同。如果将刚性框架内的膜，整体涂覆电极，在膜两面施加电压，并调节电压大小，由于膜上任一点的两个方向主应力大小相同，膜无法产生褶皱，不能调节薄 膜透明度。
对比实施例2
首先将介电高弹体膜(VHB4910)进行非等双轴预拉伸，预拉伸后膜长度为L，宽为W， 双轴预拉伸倍数的范围为2～3.5倍，然后用刚性框架固定，固定好后的膜长度为L， 宽为W，再在膜两面涂覆柔性电极，涂覆电极的范围为，长为L、宽为Lw的矩形区域， 其中Lw＜W，最后在膜的两面涂覆电极的部分施加一定大小的电压后，膜会产生褶皱。 对比刘学进等人发表的文章(JOURNAL OF APPLIED POLYMER SCIENCE,2016,133(14):43251-43258)，此实施例中进行的是非等双轴预拉伸，初始状 态膜内任一点两个方向主应力大小不同。与本发明不同的是涂覆电极的区域，只在部分 区域涂覆电极。由于施加电激励后，膜内涂覆电极的部分和未涂电极部分应力状态不一 致(涂覆电极的部分有电场力的作用)，所以产生褶皱并不规则，不能够定量描述。并 且膜在电场激励作用下不能整体产生褶皱，只在涂覆电极的区域形成褶皱，因此膜上整 体的透明度不能调节。
对比实施例3
实施例整体过程如图12所示。
由MilanShrestha等人发表的文章中(Optics Letters,2016,41(19)：4433-4436)， 首先将透明的介电高弹体膜(VHB4910)进行径向预拉伸，初始状态膜的直径为D0，径 向预拉伸后的直径为D1，然后固定膜，再在预拉伸后的膜表面电子束蒸镀一层厚度为50nm的氧化锌膜，然后释放预拉伸，由于氧化锌膜和介电高弹体膜的刚度不同，因此 VHB膜表面和氧化锌薄层一起形成微小褶皱。在没有释放预拉伸，径向压缩为0时，膜 的透明度为93％。施加机械力，当径向有14％的压缩时，VHB表面和氧化锌膜产生褶皱， 此时的膜的透明度为14％。与现有技术的智能调节不同，此类调节膜透明度的方法，是 在力场驱动下产生褶皱。与本发明中膜可以整体变形不同，此实施例中褶皱只在VHB基 体的表面和氧化锌薄层产生，整个介电高弹体膜并未全部产生褶皱。此类调节膜的方法 通过机械力作用调节膜的变形，从而调节膜的透明度，但是因此其调节的响应速度较慢， 机械结构降低了整体结构的稳定性。

Claims (10)

1.一种透明度可调的膜，其特征在于：所述膜为智能软材料膜，所述智能软材料膜均匀等厚，所述的膜具有规则波状褶皱，所述波状褶皱的波长与幅值在膜上处处相等，所述波状褶皱的波长受膜的厚度、施加外场激励前的应力状态调控，所述波状褶皱波长的初始值与外场激励无关，所述波状褶皱的幅值受外加激励调控，激励越强，波状褶皱幅值越大，且膜的透明度降低，所述的膜通过控制外场激励大小调节膜的透明度；优选地，所述的膜产生的规则褶皱可表述为正弦或余弦函数；优选地，所述膜的透明度是均匀的。
2.根据权利要求1所述的透明度可调的膜，其特征在于：所述的膜获得规则波状褶皱的方法如下：智能软材料膜经过预拉伸后，所述膜上每一个点的应力状态相同，且所述膜上任意一点两个方向的主应力大小不相等，通过固化所述膜的四周全部边界的方式维持预拉伸之后膜上各点的应力状态，然后对所述的膜施加外场激励，所述膜的整体发生本征应变，产生规则的波状褶皱；优选地，所述两个方向的主应力是指预拉伸方向和垂直预拉伸的方向上的正应力，所述的应力状态相等是指应力的大小和方向相同；优选地，所述的膜经过双轴预拉伸；更优选地，所述的膜经过单轴预拉伸。
3.根据权利要求2所述的透明度可调的膜，其特征在于：固化所述膜的四周全部边界是指通过对膜的四周全部边界进行固化，对膜起到支撑作用，使膜在变形过程中结构相对稳定，用于保证所述的膜在外场激励的调节下不会产生结构失稳导致膜结构的破裂；优选地，固化所述膜的四周全部边界采用的方式选自以下方式的任意一种或多种：采用硬质框架进行固定、采用膜边界处强化的方式进行固定、对膜的四周添加纤维的方式进行固定。
4.根据权利要求3所述的透明度可调的膜，其特征在于：所述的硬质框架为高模量材料，所述的硬质框架与膜的连接方式选自粘结、螺纹连接、焊接、沟槽连接、法兰连接、承插连接中的一种或多种；优选地，所述的高模量材料为拉伸模量为1GP以上的材料；优选地，所述的高模量材料为高模量塑料或高模量橡胶；优选地，所述的高模量塑料选自丙烯酸塑料、ABS塑料、PC塑料、PP塑料中的一种或多种。
5.根据权利要求3所述的透明度可调的膜，其特征在于：所述的透明度可调的膜的形状为三角形、多边形、圆形、椭圆形、不规则图形；优选地，所述的膜的形状为四边形；更优选地，所述的四边形为长方形或正方形。
6.根据权利要求1至5任一项所述的透明度可调的膜，其特征在于：所述预拉伸的倍数为大于1倍；优选地，所述的预拉伸的倍数为1.5～15倍；优选地，所述预拉伸的倍数为1.5～8倍；优选地，所述预拉伸的倍数为2～4倍。
7.根据权利要求1至5任一项所述的透明度可调的膜，其特征在于：所述膜的厚度为10nm～50mm；优选地，所述膜的厚度为0.01mm～10mm；更优选地，所述的膜厚度为0.1mm～5mm。
8.根据权利要求1至5任一项所述的透明度可调的膜，其特征在于：所述智能软材料膜是能够在外场激励下产生本征应变的材料，选自介电高弹体、热敏材料、光敏材料、电磁场感应材料中的任意一种或多种；优选地，所述的热敏材料的外场激励方式为热场；优选地，所述的光敏材料的外场激励方式为光；优选地，所述的电磁场感应材料的外场激励方式为电磁场；优选地，所述介电高弹体的外场激励方式为电场。
9.根据权利要求8所述的透明度可调的膜，其特征在于：所述的智能软材料膜是介电高弹体膜，所述的介电高弹体膜在外场激励下产生的波状褶皱的波长满足如下公式：lλ/lf2＝2.05αf 1/2(lf2/t0)-1/2(λ11-1)-1/4，其中经固定后膜的长宽比为αf＝lf1/lf2,lλ为波长，lf1为经固定后膜的长度，lf2为经固定后膜的宽度，t0为膜的初始厚度，λ11为膜的单轴预拉伸的倍数，即拉伸率，其中λ11＝ls11/ls10，ls10为膜初始状态的长度，ls11为膜拉伸后的长度。
10.根据权利要求8所述的透明度可调的膜，其特征在于：所述的智能软材料膜是介电高弹体膜，所述的介电高弹体膜，除四周固定部分外，整张膜的两侧均涂覆导电的柔性电极层，在电压作用下，使膜整体发生本征应变，产生规则波状褶皱；优选地，所述的柔性电极层选自银纳米线电极、碳纳米管电极、水凝胶电极中的任意一种或多种；优选地，将膜置于透明导电液体中，膜两侧的液体完全隔开，充当柔性电极层；更优选地，所述的导电液体为透明无色。
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