CN114297872A - 一种光学透明复合材料的设计方法 - Google Patents

一种光学透明复合材料的设计方法 Download PDF

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赵会阳
张炜楠
赵亮亮
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孙承月
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Abstract

一种光学透明复合材料的设计方法，本发明涉及一种透明复合材料的设计方法。本发明要解决现有光学透明复合材料光学设计较为复杂及困难的问题。方法：一、基体和填料的选择；二、光学透明复合材料折射率的测试；三、计算光学透明复合材料的比界面面积；四、光学透明复合材料透过率预测。本发明用于光学透明复合材料的设计。

Description

一种光学透明复合材料的设计方法
技术领域
本发明涉及一种透明复合材料的设计方法。
背景技术
光学透明材料可应用于太阳电池封装、传感器、智能门窗、防眩光薄膜、光散射薄膜、光电器件等领域。为调控光学透明材料的力学、光学、电学等性质，通常需要在光学透明材料基体中添加颗粒、纤维等填料获得光学透明复合材料。如在硅橡胶、透明聚酰亚胺等基体中添加玻璃微珠，得到的赝形玻璃盖片可有效提高盖片对空间太阳电池的辐射防护性能；在环氧树脂基体中添加玻璃纤维填料可以明显改善其力学性能。
光学透明复合材料在实际应用过程中需综合考虑其光透过性以及力学、光学、电学等性能，而不同填料的形状、尺寸、粒度分布、掺杂比例以及复合材料厚度等因素都会直接影响所获得光学透明复合材料的透过率，这使得光学透明复合材料的光学设计较为复杂、困难。
发明内容
本发明要解决现有光学透明复合材料光学设计较为复杂及困难的问题，而提供一种光学透明复合材料的设计方法。
一种光学透明复合材料的设计方法，它是按照以下步骤进行的：
一、基体和填料的选择：
选取基体和填料并制备得到光学透明复合材料；
二、光学透明复合材料折射率的测试：
测试光学透明复合材料在不同波长范围内的折射率；
三、计算光学透明复合材料的比界面面积：
设单位体积的光学透明复合材料内填料与基体的界面面积为比界面面积；
若填料为规则形状，根据公式
Figure BDA0003449177230000011
计算比界面面积；
其中
Figure BDA0003449177230000012
为比界面面积，单位为μm-1；Sp为光学透明复合材料内填料的总表面积，单位为μm2；Vc为光学透明复合材料的体积，单位为μm3；
若填料为不规则形状，根据公式
Figure BDA0003449177230000013
计算比界面面积；
其中
Figure BDA0003449177230000014
为比界面面积，单位为μm-1；S1为填料的比表面积，单位为μm2/g；fP为填料占光学透明复合材料的体积比；ρP为填料的密度，单位为g/μm3；
四、光学透明复合材料透过率预测：
根据公式进行透过率预测：
Figure BDA0003449177230000021
其中nc为光学透明复合材料的折射率；nair为空气的折射率；k为单位体积光学透明复合材料内填料与基体界面引起的光损失系数；
Figure BDA0003449177230000022
为比界面面积，单位为μm-1；b为光学透明复合材料的厚度，单位为μm。
本发明的有益效果是：
1、光学透明复合材料中不同填料的形状、尺寸、粒度分布、掺杂比例以及复合材料厚度等因素都会直接影响光学透明复合材料的透过率，这使得光学透明复合材料的光学设计较为复杂、困难。通过本发明可精准预测任意厚度、填料形状、粒度分布、掺杂比例光学透明复合材料的透过率，避免了大量的试验测试。在应用过程中，可根据所需要的光透过率指导光学透明复合材料的材料选择，如厚度、填料形状、粒度分布、掺杂比例等参数，极大的提高了光学透明复合材料的设计效率。
2、本发明所采取的方案操作简单、可快速精准预测任意厚度、填料形状、粒度分布、掺杂比例光学透明复合材料的透过率。可应用于太阳电池封装、传感器、智能门窗、防眩光薄膜、光散射薄膜、光电器件等领域中光学透明复合材料的光学设计。
本发明用于一种光学透明复合材料的设计方法。
附图说明
图1为实施例一制备的71μm厚光学透明复合材料透过率的实际测试图；
图2为实施例二制备的109μm厚光学透明复合材料透过率的实际测试图；
图3为实施例三制备的111μm厚光学透明复合材料透过率的实际测试图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式所述的一种光学透明复合材料的设计方法，它是按照以下步骤进行的：
一、基体和填料的选择：
选取基体和填料并制备得到光学透明复合材料；
二、光学透明复合材料折射率的测试：
测试光学透明复合材料在不同波长范围内的折射率；
三、计算光学透明复合材料的比界面面积：
设单位体积的光学透明复合材料内填料与基体的界面面积为比界面面积；
若填料为规则形状，根据公式
Figure BDA0003449177230000031
计算比界面面积；
其中
Figure BDA0003449177230000032
为比界面面积，单位为μm-1；Sp为光学透明复合材料内填料的总表面积，单位为μm2；Vc为光学透明复合材料的体积，单位为μmw；
若填料为不规则形状，根据公式
Figure BDA0003449177230000033
计算比界面面积；
其中
Figure BDA0003449177230000034
为比界面面积，单位为μm-1；S1为填料的比表面积，单位为μm2/g；fP为填料占光学透明复合材料的体积比；ρP为填料的密度，单位为g/μm3；
四、光学透明复合材料透过率预测：
根据公式进行透过率预测：
Figure BDA0003449177230000035
其中nc为光学透明复合材料的折射率；nair为空气的折射率；k为单位体积光学透明复合材料内填料与基体界面引起的光损失系数；
Figure BDA0003449177230000036
为比界面面积，单位为μm-1；b为光学透明复合材料的厚度，单位为μm。
具体实施方式若填料为不规则形状，则填料比表面积
Figure BDA0003449177230000037
其中SP为填料的总表面面积，mP为填料质量，ρP为填料的密度，VP为填料体积，Vc为光学透明复合材料的体积，fP为填料占光学透明复合材料的体积比。因此可得出比界面面积：
Figure BDA0003449177230000038
其中S1为填料的比表面积，可通过比表面积分析仪测试得到。
理论基础是：
光学透明复合材料由基体和填充粒子组成，为保证其高透光性，选用的基体和填充粒子的光学吸收主要集中在紫外波段，在可见光范围内光吸收系数较低，在可见光波段产生的光吸收可以忽略，因此光学透明复合材料在可见光波段的透过率损失主要是由于反射造成的。透过率损失主要包括表面反射以及复合材料内部光散射引起的反射，其中表面反射可通过菲涅尔定律得到：
Figure BDA0003449177230000039
研究表明内部光散射引起的反射与比界面面积
Figure BDA00034491772300000310
以及厚度b呈线性关系。因此可得到光学透明复合材料的透过率表达式为
Figure BDA00034491772300000311
Figure BDA00034491772300000312
根据该公式即可计算光学透明复合材料的透过率。其中k的物理意义是比界面光损失，与粒径、厚度等参数无关，只与基体和填料种类有关。
本实施方式的有益效果是：
1、光学透明复合材料中不同填料的形状、尺寸、粒度分布、掺杂比例以及复合材料厚度等因素都会直接影响光学透明复合材料的透过率，这使得光学透明复合材料的光学设计较为复杂、困难。通过本实施方式可精准预测任意厚度、填料形状、粒度分布、掺杂比例光学透明复合材料的透过率，避免了大量的试验测试。在应用过程中，可根据所需要的光透过率指导光学透明复合材料的材料选择，如厚度、填料形状、粒度分布、掺杂比例等参数，极大的提高了光学透明复合材料的设计效率。
2、本实施方式所采取的方案操作简单、可快速精准预测任意厚度、填料形状、粒度分布、掺杂比例光学透明复合材料的透过率。可应用于太阳电池封装、传感器、智能门窗、防眩光薄膜、光散射薄膜、光电器件等领域中光学透明复合材料的光学设计。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤四中所述的nair≈1。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：步骤四中通过测试填料添加体积不同的光学透明复合材料的透过率，然后带入公式
Figure BDA0003449177230000041
Figure BDA0003449177230000042
拟合透过率与
Figure BDA0003449177230000043
的关系得到k。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的填料添加体积不同的光学透明复合材料中的基体、填料及光学透明复合材料的厚度相同。其它与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一中所述的基体为光学透明基体。其它与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述的光学透明基体为硅橡胶、透明聚酰亚胺、聚酯薄膜、环氧树脂或聚倍半硅氧烷。其它与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式所述的聚酯薄膜缩写为PET。
具体实施方式所述的聚倍半硅氧烷缩写为POSS。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤一中所述的填料为无机填料或有机填料。其它与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述的填料为颗粒填料或纤维填料。其它与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述的填料尺寸大于可见光波长范围。其它与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：所述的填料尺寸大于1μm。其它与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
一种光学透明复合材料的设计方法，它是按照以下步骤进行的：
一、基体和填料的选择：
选取硅橡胶和球形玻璃微珠并制备得到光学透明复合材料；所述的球形玻璃微珠与硅橡胶的质量比为1∶1；
二、光学透明复合材料折射率的测试：
经折射率测量仪测试光学透明复合材料在650nm处的折射率为1.3939，在1000nm处的折射率为1.3914；
三、计算光学透明复合材料的比界面面积：
设单位体积的光学透明复合材料内填料与基体的界面面积为比界面面积；
填料为规则形状，此时单位体积光学透明复合材料内所包含的填料总体积Vp＝1*1*1*fp；包含填料个数
Figure BDA0003449177230000051
其中r为球形玻璃微珠的半径；光学透明复合材料内填料的总表面积
Figure BDA0003449177230000052
因此可得比界面面积：
Figure BDA0003449177230000053
通过激光粒度分析仪测得球形玻璃微珠的平均直径db为27.4μm，Sp为光学透明复合材料内填料的总表面积，单位为μm2；Vc为光学透明复合材料的体积，单位为μm3；fP为填料占光学透明复合材料的体积比，经换算得到28.514％；经计算得到比界面面积
Figure BDA0003449177230000054
四、光学透明复合材料透过率预测：
根据公式进行透过率预测：
Figure BDA0003449177230000055
其中nc为光学透明复合材料的折射率，650nm处的折射率为1.3939，在1000nm处的折射率为1.3914；nair为空气的折射率，nair≈1，k为单位体积光学透明复合材料内填料与基体界面引起的光损失系数，k＝1.06；
Figure BDA0003449177230000061
为比界面面积，
Figure BDA0003449177230000062
b为光学透明复合材料的厚度，b＝71μm。
步骤四中通过测试填料添加体积不同的光学透明复合材料的透过率，然后带入公式
Figure BDA0003449177230000063
拟合透过率与
Figure BDA0003449177230000064
的关系得到k。所述的填料添加体积不同的光学透明复合材料中的基体、填料及光学透明复合材料的厚度相同。
将上述数据代入公式中可预测得到该光学透明复合材料的透过率在650nm处为89.9％，在1000nm处为90.0％。
图1为实施例一制备的71μm厚光学透明复合材料透过率的实际测试图。由图可知，该光学透明复合材料的实际测试值在650nm处为89.8％，在1000nm处为89.7％。测试值与预测值相吻合，预测误差小于1.0％。这说明该实施例能精准预测透明光学复合材料的透过率。
实施例二：
一种光学透明复合材料的设计方法，它是按照以下步骤进行的：
一、基体和填料的选择：
选取硅橡胶和球形玻璃微珠并制备得到光学透明复合材料；所述的球形玻璃微珠与硅橡胶基体的质量比为1.5∶1；
二、光学透明复合材料折射率的测试：
经折射率测量仪测试光学透明复合材料在750nm处的折射率为1.3877，在1000nm处的折射率为1.3950；
三、计算光学透明复合材料的比界面面积：
设单位体积的光学透明复合材料内填料与基体的界面面积为比界面面积；
填料为规则形状，根据公式
Figure BDA0003449177230000065
计算比界面面积；
通过激光粒度分析仪测得球形玻璃微珠的平均直径db为21.8μm，Sp为光学透明复合材料内填料的总表面积，单位为μm2；Vc为光学透明复合材料的体积，单位为μm3；fP为填料占光学透明复合材料的体积比，经换算得到37.435％；经计算得到比界面面积
Figure BDA0003449177230000066
四、光学透明复合材料透过率预测：
根据公式进行透过率预测：
Figure BDA0003449177230000071
其中nc为光学透明复合材料的折射率，在750nm处的折射率为1.3877，在1000nm处的折射率为1.3950；nair为空气的折射率，nair≈1，k为单位体积光学透明复合材料内填料与基体界面引起的光损失系数，k＝1.06；
Figure BDA0003449177230000072
为比界面面积，
Figure BDA0003449177230000073
b为光学透明复合材料的厚度，b＝109μm。
将上述数据代入公式中可预测得到该光学透明复合材料的透过率在750nm处为82.9％，在1000nm处为82.7％。
图2为实施例二制备的109μm厚光学透明复合材料透过率的实际测试图。由图可知，该光学透明复合材料的实际测试值在750nm处为82.8％，在1000nm处为82.8％。测试值与预测值相吻合，预测误差小于1.0％。这说明该实施例能精准预测透明光学复合材料的透过率。
实施例三：
一种光学透明复合材料的设计方法，它是按照以下步骤进行的：
一、基体和填料的选择：
选取硅橡胶和球形玻璃微珠并制备得到光学透明复合材料；所述的球形玻璃微珠与硅橡胶基体的质量比为1.5∶1；
二、光学透明复合材料折射率的测试：
经折射率测量仪测试光学透明复合材料在在650nm处的折射率为1.3945，在1000nm处的折射率为1.3950；
三、计算光学透明复合材料的比界面面积：
设单位体积的光学透明复合材料内填料与基体的界面面积为比界面面积；
填料为规则形状，根据公式
Figure BDA0003449177230000074
计算比界面面积；
通过激光粒度分析仪测得球形玻璃微珠的平均直径db为45.6μm，Sp为光学透明复合材料内填料的总表面积，单位为μm2；Vc为光学透明复合材料的体积，单位为μm3；fP为填料占光学透明复合材料的体积比，经换算得到37.435％；经计算得到比界面面积
Figure BDA0003449177230000075
四、光学透明复合材料透过率预测：
根据公式进行透过率预测：
Figure BDA0003449177230000076
其中nc为光学透明复合材料的折射率，在650nm处的折射率为1.3945，在1000nm处的折射率为1.3950；nair为空气的折射率，nair≈1，k为单位体积光学透明复合材料内填料与基体界面引起的光损失系数，k＝1.06；
Figure BDA0003449177230000081
为比界面面积，
Figure BDA0003449177230000082
b为光学透明复合材料的厚度，b＝111μm。
将上述数据代入公式中可预测得到该光学透明复合材料的透过率在650nm处为88.8％，在1000nm处为88.8％。
图3为实施例三制备的111μm厚光学透明复合材料透过率的实际测试图。由图可知，该光学透明复合材料的实际测试值在650nm处为89.0％，在1000nm处为88.2％。测试值与预测值相吻合，预测误差小于1.0％。这说明该实施例能精准预测透明光学复合材料的透过率。

Claims (10)

1.一种光学透明复合材料的设计方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：
一、基体和填料的选择：
选取基体和填料并制备得到光学透明复合材料；
二、光学透明复合材料折射率的测试：
测试光学透明复合材料在不同波长范围内的折射率；
三、计算光学透明复合材料的比界面面积：
设单位体积的光学透明复合材料内填料与基体的界面面积为比界面面积；
若填料为规则形状，根据公式
Figure FDA0003449177220000011
计算比界面面积；
其中
Figure FDA0003449177220000012
为比界面面积，单位为μm-1；Sp为光学透明复合材料内填料的总表面积，单位为μm2；Vc为光学透明复合材料的体积，单位为μm3；
若填料为不规则形状，根据公式
Figure FDA0003449177220000013
计算比界面面积；
其中
Figure FDA0003449177220000014
为比界面面积，单位为μm-1；S1为填料的比表面积，单位为μm2/g；fP为填料占光学透明复合材料的体积比；ρP为填料的密度，单位为g/μm3；
四、光学透明复合材料透过率预测：
根据公式进行透过率预测：
Figure FDA0003449177220000015
其中nc为光学透明复合材料的折射率；nair为空气的折射率；k为单位体积光学透明复合材料内填料与基体界面引起的光损失系数；
Figure FDA0003449177220000016
为比界面面积，单位为μm-1；b为光学透明复合材料的厚度，单位为μm。
2.根据权利要求1所述的一种光学透明复合材料的设计方法，其特征在于步骤四中所述的nair≈1。
3.根据权利要求1所述的一种光学透明复合材料的设计方法，其特征在于步骤四中通过测试填料添加体积不同的光学透明复合材料的透过率，然后带入公式
Figure FDA0003449177220000017
Figure FDA0003449177220000018
拟合透过率与
Figure FDA0003449177220000019
的关系得到k。
4.根据权利要求3所述的一种光学透明复合材料的设计方法，其特征在于所述的填料添加体积不同的光学透明复合材料中的基体、填料及光学透明复合材料的厚度相同。
5.根据权利要求1所述的一种光学透明复合材料的设计方法，其特征在于步骤一中所述的基体为光学透明基体。
6.根据权利要求5所述的一种光学透明复合材料的设计方法，其特征在于所述的光学透明基体为硅橡胶、透明聚酰亚胺、聚酯薄膜、环氧树脂或聚倍半硅氧烷。
7.根据权利要求1所述的一种光学透明复合材料的设计方法，其特征在于步骤一中所述的填料为无机填料或有机填料。
8.根据权利要求7所述的一种光学透明复合材料的设计方法，其特征在于所述的填料为颗粒填料或纤维填料。
9.根据权利要求7所述的一种光学透明复合材料的设计方法，其特征在于所述的填料尺寸大于可见光波长范围。
10.根据权利要求7所述的一种光学透明复合材料的设计方法，其特征在于所述的填料尺寸大于1μm。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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